周常春

(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000)

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發(fā)動機(jī)箱體關(guān)鍵工序切削仿真及參數(shù)優(yōu)化

周常春

(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000)

摘要：材料不同的特性會導(dǎo)致加工過程中2個零件的切削力、切削溫度以及切削變形不同，從而影響同軸度，因此，選擇合理的切削參數(shù)是關(guān)鍵。針對某型號發(fā)動機(jī)，為了優(yōu)化其切削參數(shù)，結(jié)合鏜瓦孔工序加工要求和工藝特點，建立了鏜瓦孔工序的切削力模型和切削溫度的經(jīng)驗公式。以彈塑性有限元理論為基礎(chǔ)，建立了基于鏜瓦孔工序中2種材料的三維鏜削模型，應(yīng)用Deform-3D有限元軟件，完成了2種材料鏜削過程的切削仿真，獲得了材料的應(yīng)力應(yīng)變分布、切削力切削變形曲線和工件溫度場分布及變化曲線，通過對比分析，得到了合理的切削參數(shù)。提出了鏜瓦孔工序中切削參數(shù)的優(yōu)化方案，仿真結(jié)果證明了該方案的正確性。

關(guān)鍵詞：主軸瓦孔；鏜削加工；有限元仿真；切削參數(shù)優(yōu)化

在坦克發(fā)動機(jī)組件中，發(fā)動機(jī)瓦孔的加工應(yīng)在軸承蓋與上曲軸箱裝配后統(tǒng)一進(jìn)行。而上曲軸箱和軸承蓋材料不同(箱體材料為鋁合金，軸承蓋材料為合金鋼)，對保證加工精度提出了嚴(yán)峻的考驗。對該工序進(jìn)行切削仿真及參數(shù)優(yōu)化，能夠為新型坦克發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支持。

目前，關(guān)于切削參數(shù)優(yōu)化的研究主要集中在把切削力、切削熱和加工精度等物理量作為約束條件，對刀具幾何、切削用量和夾緊方案等進(jìn)行優(yōu)化[1]。本文從材料切削加工性能和切削參數(shù)化方面，結(jié)合鏜瓦孔工序中涉及的2個零件(曲軸箱和軸承蓋)的鏜削過程進(jìn)行有限元仿真，研究2種材料在鏜瓦孔工序中的切削力、切削熱以及切削變形在不同切削參數(shù)下的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化，通過分析得到合理的切削參數(shù)優(yōu)化方案。

1瓦孔鏜削過程的仿真

1.1幾何模型的建立

將2個零件均簡化為半圓環(huán)，根據(jù)實際工程應(yīng)用，Deform-3D軟件在加工仿真模塊中提供了非常直觀便利的三維簡化切削模型，在有限元建模時選擇加工方式以及切削弧度進(jìn)行模擬切削[2]。選取加工方式為Boring，2個零件均以半圓的1/12進(jìn)行建模。由于主要分析切削用量的影響，刀具采用Deform-3D刀具庫中的簡化刀具DNMA432，整體幾何模型建模完成后如圖1所示。

圖1　切削仿真的通用簡化幾何模型

1.2材料模型的建立

工件材料模型的建立，即建立材料的本構(gòu)模型，也就是獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，以定義材料在載荷作用下的響應(yīng)行為。假設(shè)刀具材料為剛體，由于刀具的強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)大于工件材料，其在切削過程中應(yīng)變很小，因此，分析時只需考慮摩擦和熱傳導(dǎo)的影響。刀具材料為WC硬質(zhì)合金，軸承蓋材料為42CrMo合金鋼，曲軸箱材料為某鋁合金。采用Deform材料庫中的材料流動應(yīng)力模型，因為Deform材料庫中材料數(shù)據(jù)是在總結(jié)實際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上逐步建立起來的，與實際工況更加接近。

1.3有限元網(wǎng)格模型的建立

研究采用特殊優(yōu)化的四面體單元，刀具采用絕對網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸比例為4，網(wǎng)格數(shù)為25 000；工件采用相對網(wǎng)格，尺寸比例根據(jù)切削參數(shù)不同進(jìn)行調(diào)整，以便更好地完成計算仿真。工件的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示[3]。

圖2　工件的有限元網(wǎng)格模型

1.4仿真參數(shù)的設(shè)定

仿真對象只選取鏜瓦孔工序在一般切削情況下的工況，同時不考慮機(jī)床、夾具的振動以及刀具的變形[4]，具體加工的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　切削加工的相關(guān)參數(shù)

2仿真結(jié)果分析

2.1切屑成形分析

切屑的產(chǎn)生及彎曲變形直至被刀具從工件切除的整個過程如圖3所示。從圖3可以看出，隨著刀具切削的不斷深入，工件材料在刀具的擠壓及剪切作用下，切削層發(fā)生壓縮與剪切滑移變形。工件被分為兩部分：一部分沿剪切面方向滑移形成切屑；另一部分受擠壓作用留在已加工表面。

圖3　切屑的形成過程

2.2切削應(yīng)力與應(yīng)變分布

切削過程中某時刻的等效應(yīng)力分布圖以及整個切削過程的切削應(yīng)力變化曲線圖如圖4所示。由圖4可知，在鏜孔過程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)切削后，等效應(yīng)力主要集中在刀尖和工件材料接觸的第一變形區(qū)，此時工件材料不僅發(fā)生剪切滑移，而且形成了具有一定寬度的剪切帶[5]。圖4同時展示了軸承蓋的等效應(yīng)力隨時間變化的曲線，在刀具剛切入工件材料時，由于刀具與工件的擠壓摩擦作用迅速上升，之后呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)波動狀態(tài)，最大應(yīng)力約為1 770 MPa。

圖4　切削過程中的等效應(yīng)力分布圖

2.3切削力與變形分析

軸承蓋材料為42CrMo，鏜瓦孔過程有3個方向的力，y方向的主切削力Fc，x方向的進(jìn)給抗力Ff，z方向的切深抗力Fp。在切削速度為24 m/min，背吃刀量為0.5 mm，進(jìn)給量為0.3 mm/r的條件下，3個方向切削力的仿真結(jié)果如圖5所示。在圖5中，y方向的主切削力相較于其他2個方向要大很多，隨著刀具逐漸進(jìn)入工件，切削力迅速上升，當(dāng)切削進(jìn)入穩(wěn)態(tài)切削后，切削力趨向穩(wěn)定，始終在一定范圍內(nèi)波動。

圖5　軸承蓋3個方向切削力變化曲線

在剖面附近的加工表面上隨機(jī)取點，用于近似表示鏜瓦孔工序造成的加工變形(見圖6)。由圖6可知，工件的加工變形在一定范圍內(nèi)波動(切削參數(shù)同圖5)。

圖6　加工變形線圖

2.4切削溫度分析

鏜削過程中某時刻工件和刀具的溫度分布云圖如圖7所示。從圖7中可知，鏜削過程中的最高溫度在切屑根部距離切屑刃一定距離處。其原因在于切屑形成時所消耗的彈塑性變形功引起了溫度升高，且隨著切屑沿前刀面的流動，切屑表面來不及冷卻便由于刀屑間的擠壓摩擦使溫度再次升高。刀具的最高溫度集中在刀刃上，這是因為該處是彈塑性變形和刀屑摩擦較為集中的區(qū)域。

圖7　工件和刀具的溫度分布云圖

2.52種材料仿真結(jié)果對比分析

在相同切削參數(shù)下，軸承蓋與箱體材料主切削力的變化曲線對比如圖8所示。由圖8可知，2種材料切削力的變化規(guī)律基本相同，但力的大小卻有很大差異，42CrMo材料的主切削力幾乎是鋁合金的2倍。原因是軸承蓋材料的硬度和強(qiáng)度高于箱體材料，這與金屬切削理論相符。

圖8　2種材料的主切削力變化曲線

2種材料在相同切削參數(shù)下加工表面節(jié)點位移(即加工變形)的對比如圖9所示。由圖9可知，2種材料在這一切削參數(shù)下的變形量非常相近。

圖9　2種材料的加工變形對比

2種材料在相同切削參數(shù)(同圖5)下工件溫度變化曲線的對比如圖10所示。由圖10可知，2種材料工件溫度有很大差異。比較圖8和圖10，2種材料切削力和切削溫度的差別類似，說明切削溫度和切削力的大小具有內(nèi)在聯(lián)系。

圖10　2種材料工件溫度變化曲線

3鏜瓦孔工序的切削參數(shù)分析及優(yōu)化

3.1基于切削力對比的切削參數(shù)分析

2種材料在不同切削速度、不同背吃刀量和不同進(jìn)給量下主切削力平均值的對比分別如圖11～圖13所示。從圖11可以看出，2種材料切削力的差距始終很明顯，但在切削速度>400 m/min后，切削力的差距有了明顯的縮小。從圖12和圖13可以看出，隨著背吃刀量和進(jìn)給量的增大，2種材料的主切削力均增大，且切削力的差值也越來越大；因此，在這種情況下應(yīng)選擇較大的切削速度，較小的背吃刀量和進(jìn)給量，大的切削速度可以提高加工效率，但較小的背吃刀量和進(jìn)給量的作用則相反。在實際加工中，應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)的諧振頻率及加工質(zhì)量需求確定切削參數(shù)。

圖11　2種材料在不同切削速度下主切削力平均值變化曲線

圖12　2種材料在不同背吃刀量下主切削力平均值變化曲線

圖13　2種材料在不同進(jìn)給量下主切削力平均值變化曲線

3.2基于切削溫度對比的切削參數(shù)分析

在鏜瓦孔加工過程中，切削溫度也具有重要的參考價值。單獨考慮切削溫度，研究對比2種材料切削溫度隨切削參數(shù)的變化情況。2種材料在不同切削速度、不同背吃刀量和不同進(jìn)給量下工件溫度平均值的對比分別如圖14～圖16所示。由圖14可以看出，2種材料在鏜削過程中，切削溫度均隨著切削速度的增大而升高，并且溫度差值逐漸減小。從圖15中可以看出，切削溫度均隨著背吃刀量的提高而提高，但相對于切削速度的影響，變化很小。從圖16中可以看出，2種材料隨進(jìn)給量的增大而增大，且溫度增大逐漸放緩，甚至有下降的可能。綜合考慮這些因素，為保證有一個平衡的溫度環(huán)境，應(yīng)盡量選擇較大的切削速度，選用較大的背吃刀量和進(jìn)給量，但后兩者為次要因素。

圖14　2種材料在不同切削速度下工件溫度平均值變化曲線

圖15　2種材料在不同背吃刀量下工件溫度平均值變化曲線

圖16　2種材料在不同進(jìn)給量下工件溫度平均值變化曲線

3.3基于切削變形對比的切削參數(shù)分析

在鏜瓦孔工序的鏜削過程中，如何將切削變形控制在可接受的范圍內(nèi)且花費較少的時間，是重中之重[6]。當(dāng)背吃刀量和進(jìn)給量不變時，不同切削速度下2種材料切削變形的變化曲線以及切削相同距離所用時間的變化曲線如圖17所示。由圖17可知，隨著切削速度的增大，切削時間和加工變形均變小，這說明提高切削速度不僅有利于提升切削質(zhì)量，而且能夠提高加工效率。

圖17　　　　2種材料在不同切削速度下的變形變化曲線　　　及加工時間變化曲線

2種材料在不同背吃刀量和不同進(jìn)給量下變形的對比圖分別如圖18和圖19所示。由圖18和圖19可知，2種材料的變形變化趨勢幾乎一致，且變形量差別較小。綜合考慮加工效率和加工質(zhì)量，應(yīng)選擇較大的切削速度，較小的背吃刀量和進(jìn)給量。

圖18　2種材料在不同背吃刀量下的變形變化曲線

圖19　2種材料在不同進(jìn)給量下的變形變化曲線

3.4切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

鏜削加工是一個各種影響因素綜合作用的過程，需要綜合考慮切削力、切削溫度和切削變形，才能得到更加合理的切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。在切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量分別變化的情況下，2種材料的切削力、切削溫度和切削變形變化曲線分別如圖20～圖22所示。

圖20　2種材料在不同切削速度下的三物理量曲線

圖21　2種材料在不同背吃刀量下的三物理量曲線

為了能夠較好地發(fā)現(xiàn)規(guī)律，3個縱坐標(biāo)的最大值分別根據(jù)切削力、切削溫度和切削變形的峰值進(jìn)行設(shè)定，通過對比，得到如下結(jié)論。

1)對比3個切削參數(shù)對切削力的影響，切削力的變化更容易受到背吃刀量與進(jìn)給量的影響；而當(dāng)切削速度變化時，切削力的減小主要是切削溫度上升引起摩擦因數(shù)減小所引起的。

2)對比3個切削參數(shù)對切削溫度的影響，工件的切削溫度更容易受切削速度的影響；但背吃刀量和進(jìn)給量的增大會相對制約切削溫度隨切削速度的變化。

3)當(dāng)切削速度變化時，切削力與切削變形均呈減小趨勢，而在不同背吃刀量和進(jìn)給量時，兩者均逐漸增大。說明切削力是造成加工過程中切削變形的主要因素。背吃刀量對切削變形的影響小于進(jìn)給量對切削變形的影響。

4)大的切削力會引起切削熱的增加，但在切削溫度的體現(xiàn)上不是很明顯，原因是在產(chǎn)生切削熱的同時，切屑帶走了部分熱量。而且，由圖21可知切削溫度的升高引起摩擦因數(shù)減小，導(dǎo)致切削力下降。

綜合考慮切削參數(shù)對切削力和切削熱以及切削變形的影響，在鏜瓦孔工序的加工過程中，為了保證加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，可優(yōu)先選用大的切削速度，選擇較小的背吃刀量和進(jìn)給量。為保證同軸度要求，應(yīng)盡量減小2種材料加工中切削力、切削溫度和切削變形的差別。建議切削速度選擇600 ～1 000 m/min，背吃刀量選擇約為0.5 mm，進(jìn)給量選擇0.3～0.5 mm/r?？紤]到切削變形隨切削速度增大而變小的因素，這組切削參數(shù)能夠達(dá)到實際加工的精度要求，同時能夠保證加工效率。

4結(jié)語

本文從不同切削參數(shù)對加工過程中切削力、切削溫度和切削變形的影響出發(fā)，完成了2種材料鏜削過程的切削仿真，并對2種材料的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析。通過單一參數(shù)的變化獲得了2種材料在不同切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量下切削力、切削溫度和切削變形的變化規(guī)律，分析了切削參數(shù)對三物理量的影響。分析了切削參數(shù)對切削力、切削溫度和切削變形影響的大小程度以及三物理量之間可能存在的內(nèi)在聯(lián)系。最終，結(jié)合所有分析結(jié)論，提出了合理的切削參數(shù)優(yōu)化方案。由于研究方法的局限，對鏜瓦孔工序切削參數(shù)的優(yōu)化采用的是以單因素理論為基礎(chǔ)的分析，而實際的切削加工是一個多因素影響以及多目標(biāo)優(yōu)化的過程，對此有待于進(jìn)一步地深入分析和研究。

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責(zé)任編輯鄭練

Study on Machining Simulation and Cutting Parameters Optimization about Key Process of Engine Box

ZHOU Changchun

(Neijiang Vocational and Technical College, Neijiang 641000, China)

Abstract：Different material property causes the different cutting force, cutting temperature and cutting deformation and this could affect concentricity. Therefore, a reasonable choice of cutting parameters is very important. Combined with the processing requirement and characteristic of the main bearing bores boring process. Base on the elastic-plastic finite element theory, establish the 3D model of the two parts. Applying Deform-3D finite element software completes the cutting simulation of the two different material. Obtain the stress distribution, strain distribution, cutting force curve, work piece deformation curve and temperature distribution curve of the two material. Through the comparative analysis, identify the impact on processing accuracy of the different material. The variation law of cutting force, feed temperature and cutting temperature under different cutting speed, cutting depth and feed rate are obtained by simulation. Finally, a cutting parameters optimization program of boring main bearing bore is proposed.

Key words:main bearing bore, boring, finite element simulation, cutting parameter optimization

中圖分類號：TH 16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-03

作者簡介：周常春(1983-)，男，大學(xué)本科，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計及理論等方面的研究。