趙　帥，畢雅萱

(鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院，河南 鶴壁　458030)

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基于轉(zhuǎn)盤(pán)鏜孔仿真的正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)研究*

趙帥，畢雅萱

(鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院，河南 鶴壁458030)

摘要：文章利用DEFORM-3D有限元軟件建立了轉(zhuǎn)盤(pán)鏜孔的三維仿真模型，根據(jù)轉(zhuǎn)盤(pán)零件在不同切削參數(shù)條件下模擬出不同的切削力、形變量的數(shù)值，并通過(guò)設(shè)立正交實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)化的切削工藝參數(shù)：切削速度v=120 m/min，進(jìn)給量vspan=0.02 mm/r，切削深度vspan=0.03 mm。最后，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)得試驗(yàn)零件各孔誤差均在合理范圍內(nèi)，該方法為以后零件在選擇切削參數(shù)方面起到了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：DEFORM-3D；切削參數(shù)；正交實(shí)驗(yàn)

0引言

目前，我國(guó)制筆行業(yè)產(chǎn)銷量在世界范圍內(nèi)遙遙領(lǐng)先，產(chǎn)品出口遍及全球，但我國(guó)用于中高端制筆設(shè)備卻依賴瑞士和德國(guó)的進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已累計(jì)進(jìn)口原裝瑞士米克朗24工位筆頭機(jī)250余臺(tái)；同時(shí)，訂購(gòu)后需14個(gè)月才能提貨，使我國(guó)筆類產(chǎn)品的生產(chǎn)嚴(yán)重受制于國(guó)外發(fā)達(dá)公司。

在筆頭制造技術(shù)方面，高精度的圓柱筆頭廣泛采用多工位機(jī)床來(lái)加工，加工精度要求達(dá)到±0.5μm。我國(guó)從上世紀(jì)九十年代就開(kāi)始引進(jìn)瑞士的24工位筆頭加工機(jī)床，由上海七〇四研究所立項(xiàng)研制，由于國(guó)外技術(shù)封鎖，缺少相關(guān)資料，雖已出樣機(jī)，但其加工效果待進(jìn)一步提高。2001年，以豐華股份公司為首、輕工機(jī)械研究所、七〇八研究所共同立項(xiàng)再次研發(fā)類似的設(shè)備，由于機(jī)床上關(guān)鍵部件加工未達(dá)到要求，總體裝配后加工精度不理想，不能大批量工業(yè)化推廣。因此，研發(fā)高精度多工位筆頭加工機(jī)床對(duì)我國(guó)制筆行業(yè)和制造裝備業(yè)具有重要意義。

1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

高精度多工位筆頭加工機(jī)床的核心部件包括轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)、上下動(dòng)力頭座，俗稱“三明治”機(jī)構(gòu)。如圖1所示，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)是機(jī)床的分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，臺(tái)面上安裝有夾具和工件；上下動(dòng)力頭座分別位于轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的上下兩側(cè)，起到支撐動(dòng)力頭的作用。如圖2所示，轉(zhuǎn)盤(pán)零件屬于精密多孔類結(jié)構(gòu)件，臺(tái)面上孔的加工量占整個(gè)零件加工量的一半以上，外沿孔徑的尺寸精度要求在±5μm，圓度精度要求在8μm。因此，轉(zhuǎn)盤(pán)孔的加工質(zhì)量要求格外嚴(yán)格，其制造精度的好壞直接影響到整機(jī)的性能，現(xiàn)以轉(zhuǎn)盤(pán)鏜孔加工為例進(jìn)行研究。

圖1　“三明治”機(jī)構(gòu)圖

圖2　轉(zhuǎn)盤(pán)零件結(jié)構(gòu)圖

Deform-3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，專門(mén)設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過(guò)程中的三維流動(dòng)，在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。與傳統(tǒng)的試錯(cuò)法相比，利用軟件仿真可使過(guò)程分析形象化和可視化，費(fèi)用低、耗時(shí)短，節(jié)省人力物力，在考慮多因素時(shí)其優(yōu)勢(shì)尤為顯著。

因此，本文利用Deform-3D有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)孔的切削過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)不同切削參數(shù)條件，模擬出不同的切削力、形變量數(shù)值，并將這些數(shù)值通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)化切削參數(shù)組合。

2建立Deform-3D仿真平臺(tái)

2.1建立有限元模型

由于Deform-3D分析軟件不具備三維造型功能，所以本文選擇在Solidworks軟件中建立模型。在Solidworks中建立的鏜刀裝配模型，如圖3所示，其中鏜刀前角γ0=8°，后角α0=10°，刀尖圓弧半徑rε=0.2mm。模型文檔另存為STL文件格式，并在選項(xiàng)中選擇“在單一文件”保存裝配體的所有零件。進(jìn)入Deform-3D軟件中Machining模塊后，導(dǎo)入預(yù)先構(gòu)造的刀具模型，刀具材料選擇硬質(zhì)合金WC。設(shè)定工件尺寸，材料選用QT700-2。

圖3　鏜刀幾何模型

2.2模型的網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)首先要考慮網(wǎng)格數(shù)量，數(shù)量越多劃分的越細(xì)密，分析精度越高，但計(jì)算規(guī)模也將成倍增加。具體到鏜孔加工過(guò)程中，刀具切削部分應(yīng)該實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)分，其他部分網(wǎng)格應(yīng)該加粗，這樣既保證了局部變形的求解精度，又節(jié)省了求解時(shí)間和內(nèi)存消耗。在本實(shí)驗(yàn)中，刀具網(wǎng)格類型為相對(duì)網(wǎng)格類型，其單元總數(shù)為15000個(gè)，Size Radio為4，工件網(wǎng)格類型為絕對(duì)網(wǎng)格類型，網(wǎng)格最小尺寸為0.01mm，其單元總數(shù)為26357個(gè)。

圖4　三維模型的網(wǎng)絡(luò)劃分

2.3模擬參數(shù)設(shè)置

模擬過(guò)程中，模擬計(jì)算步長(zhǎng)的確定是十分重要的。對(duì)于幾何形狀簡(jiǎn)單，邊角無(wú)流變或其它局部嚴(yán)重變形的問(wèn)題，步長(zhǎng)可選用模型中較小單元邊長(zhǎng)的三分之一。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置仿真總步數(shù)為5000，步數(shù)增量設(shè)為25，切削終止角度65°。刀具磨損模型選用適合于金屬切削的Usui’s模型，系數(shù)a為0.0000001，b為855。最后檢查仿真的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置是否正確，生成數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)始運(yùn)行仿真。

3鏜孔切削的正交實(shí)驗(yàn)仿真

正交實(shí)驗(yàn)是研究多因素、多水平實(shí)驗(yàn)的主要方法，它是根據(jù)正交性原則從所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)中挑選部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從中尋找出一組最佳的水平組合。

3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

首先確定影響鏜刀切削性能的主要因素為：

A——切削速度(m/min)；

B——進(jìn)給量(mm/r)；

C——切削深度(mm)。

通過(guò)理論參考資料和生產(chǎn)實(shí)踐確定3個(gè)因素的變化范圍：A(v)為80～120m/min；B(vf)為0.02～0.06mm/r；C(vp)為0.03～0.08mm。設(shè)計(jì)每個(gè)因素取3個(gè)水平，得到正交試驗(yàn)的3因素(A、B、C)與3水平(1、2、3)表，見(jiàn)表1。

表1　因素水平表

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

切削參數(shù)因素水平表設(shè)計(jì)完成之后，基于已有刀具和工件有限元模型進(jìn)行表2中的切削正交試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)為切削力和轉(zhuǎn)盤(pán)形變量，并按照各組實(shí)驗(yàn)順序記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理計(jì)算。

在正交實(shí)驗(yàn)表2中，各個(gè)參數(shù)下評(píng)價(jià)指標(biāo)的均值如表3、表4所示。其中，K1代表“水平1”的指標(biāo)均值；K2代表“水平2”的指標(biāo)均值；K3代表“水平3”的指標(biāo)均值；極差R代表不同水平時(shí)各因素評(píng)價(jià)指標(biāo)均值的極差，其大小代表了該因素的水平變化時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化幅度。極差越大說(shuō)明該因素的水平變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響越大，因素則據(jù)主要地位；反之則說(shuō)明因素居次要地位。

表2　轉(zhuǎn)盤(pán)鏜孔切削正交試驗(yàn)

表3　基于主切削力FZ的評(píng)價(jià)指標(biāo)和極差分析

表4　基于轉(zhuǎn)盤(pán)形變量的評(píng)價(jià)指標(biāo)和極差分析

由表3中各因素的極差可以看到，基于主切削力FZ的極差由大到小的排列為：C、A、B；即，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響程度由大到小的因素分別為：切削深度、切削速度、進(jìn)給量?；谥髑邢髁Z最小作為優(yōu)化目的，正交試驗(yàn)方案的較優(yōu)組合為A3B2C1，即切削速度v=120mm/min，進(jìn)給量vf=0.04mm/r，切削深度vp=0.03mm。

由表4中各因素的極差可以看到，基于轉(zhuǎn)盤(pán)形變量的極差由大到小的排列為：A、B、C；即，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響程度由大到小的因素分別為：切削速度、進(jìn)給量、切削深度?；谵D(zhuǎn)盤(pán)形變量最小作為優(yōu)化目的，正交試驗(yàn)方案的較優(yōu)組合為A3B1C3，即切削速度v=120mm/min，進(jìn)給量vf=0.04mm/r，切削深度vp=0.03mm。

在精密鏜孔切削時(shí)，工件受切削力影響會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的塑性變形應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，從而導(dǎo)致工件發(fā)生形變。因此，以切削力和形變量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量切削參數(shù)優(yōu)劣時(shí)，切削力比形變量更具有參考價(jià)值。因此，綜合從切削力和形變量?jī)煞矫婵紤]，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，正交試驗(yàn)的最優(yōu)組合為A3B1C1，即切削速度v=120m/min，進(jìn)給量vf=0.02mm/r，切削深度vp=0.03mm。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

該轉(zhuǎn)盤(pán)零件的鏜孔工藝主要在雙坐標(biāo)鏜床上完成，加工后的零件如圖5所示。經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的關(guān)鍵孔位φ25尺寸、形狀精度測(cè)量結(jié)果如表5、表6所示。

圖5　轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)物圖

表5轉(zhuǎn)盤(pán)φ25孔徑分布

表6　轉(zhuǎn)盤(pán)φ25圓度分布

5總結(jié)

本文基于Deform-3D建立了鏜孔過(guò)程中的三維有限元模型，根據(jù)不同切削參數(shù)模擬獲得了一系列的切削力、應(yīng)變數(shù)值，并利用正交實(shí)驗(yàn)得出了最優(yōu)切削參數(shù)組合，最后對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)零件進(jìn)行實(shí)際加工，結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了切削參數(shù)的合理性。與傳統(tǒng)加工方法相比，這種方法節(jié)省了工藝試驗(yàn)材料和費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，為今后類似精密零件的切削加工提供了一定的借鑒。

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(編輯趙蓉)

Research on the Orthogonal Experiment Parameter Based on The Boring Simulation of The Turntable

ZHAO Shuai, BI Ya-xuan

(Hebi Automotive Engineering Professional College, Hebi Henan 458030, China)

Abstract：This paper established the three-dimensional simulation model, simulated the change of cutting force and strain under different cutting parameters by DEFORM-3D, and get the cutting parameters optimization by orthogonal experiment: v=120 m/min，vspan=0.02 mm/r，vspan=0.03 mm. At last, the result was in the reasonable error by Three coordinate measuring machine. This method is useful for the choice of the cutting parameters.

Key words：DEFORM-3D; cutting parameters; orthogonal experiment

中圖分類號(hào)：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：趙帥(1987—)，男，河南鶴壁人，鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械精密制造，(E-mail)zhaoshuai1101@163.com。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2011BAE31B02)

收稿日期：2015-03-19；修回日期：2015-04-23

文章編號(hào)：1001-2265(2016)02-0020-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.006