朱 宇，韓學(xué)軍

(大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，大連 116035)

0 引言

機(jī)械模具是一種用于機(jī)械制品成形的工具，它包括多種部件，不同的模具是由不同的部件組成的。根據(jù)機(jī)械模具的用途可以將其分為機(jī)械框架浸塑模具、機(jī)械沖壓模具、機(jī)械鍛模以及機(jī)械擠壓模具等。大多數(shù)機(jī)械模具均選用模具鋼作為原材料，由于模具鋼具有硬度高、耐磨性強(qiáng)、抗熱疲勞能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械磨具的加工生產(chǎn)工作中。為了保證機(jī)械工具的加工質(zhì)量，對(duì)機(jī)械模具的加工質(zhì)量提出了更高的要求。

從結(jié)構(gòu)上看，凸曲面以及超細(xì)微孔是模具鋼的重要組成部分，凸曲面為表面具有明顯凸起的曲面結(jié)構(gòu)，而超細(xì)微孔指的是孔徑低于0.1 mm的孔，超細(xì)微孔分為導(dǎo)通孔和不導(dǎo)通孔兩種類型，根據(jù)機(jī)械模具的需要選擇不同的超細(xì)微孔加工方式。由于凸曲面和超細(xì)微孔的存在，為模具鋼的加工工作帶來(lái)較大難度和挑戰(zhàn)[1]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的加工選擇鉆削作為加工方式，目前針對(duì)超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)也得到了部分較好的研究成果。樊瑞軍等[2]設(shè)計(jì)了一次正交實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中采集不銹鋼微小孔鉆削加工參數(shù)，利用正交實(shí)驗(yàn)分析法獲得最優(yōu)的參數(shù)組合。使用優(yōu)化后的鉆削加工參數(shù)進(jìn)行不銹鋼的微小孔加工，優(yōu)化了加工的穩(wěn)定性。任國(guó)柱等[1]針對(duì)精密微孔加工難度大、質(zhì)量難保證的特點(diǎn)，構(gòu)建了微孔加工質(zhì)量控制模型。分別從操作人員、機(jī)床、生產(chǎn)物料、加工環(huán)境、品質(zhì)測(cè)量等方面入手，對(duì)如何保證精密微孔的加工質(zhì)量進(jìn)行分析。但是，以上兩種方法忽略了對(duì)鉆削刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)，只考慮了加工參數(shù)，且無(wú)法計(jì)算出模具鋼凸曲面不同位置上超細(xì)微孔的鉆削力，導(dǎo)致研究存在不全面，應(yīng)用性不強(qiáng)的問(wèn)題，因此有必要進(jìn)一步優(yōu)化模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)，以深入提高模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削質(zhì)量。

1 凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 凸曲面結(jié)構(gòu)建模

模具鋼凸曲面是超細(xì)微孔鉆削加工的工作臺(tái)，凸曲面的曲率和走向直接影響超細(xì)微孔的鉆削參數(shù)，因此有必要構(gòu)建模具鋼凸曲面結(jié)構(gòu)模型。模具鋼凸曲面的判定方程為：

(1)

式中，R2為凸曲面在模具鋼坐標(biāo)系環(huán)境中的矢量；L2為模具鋼坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系之間的平移變化矢量；Mc2和θ2分別為旋轉(zhuǎn)變化矩陣和旋轉(zhuǎn)角度；n和V21對(duì)應(yīng)的是模具鋼平面和凸曲面接觸面處的單位公法線矢量和相對(duì)速度矢量[2]。以待加工的模具鋼凸曲面為基礎(chǔ)，求解各個(gè)參數(shù)值得出凸曲面結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建結(jié)果。

1.2 鉆削刀具選擇

根據(jù)機(jī)械模具對(duì)超細(xì)微孔的尺寸要求，選擇并制備合適的鉆削刀具。超細(xì)微孔鉆削刀具的鉆頭結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的結(jié)構(gòu)基本一致，由工作部分、柄部和頸部組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)械模具超細(xì)微孔鉆削刀具結(jié)構(gòu)圖

在此基礎(chǔ)上分別從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，其中材料的優(yōu)化方向是提高鉆削刀具的剛度和硬度，保證刀具能夠完成鉆削任務(wù)，且在加工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)變形情況。選擇超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高速鋼材料，超細(xì)硬質(zhì)合金指的是晶粒尺寸為0.3～0.5 μm的硬質(zhì)合金，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料具有較高的硬度、強(qiáng)度和剛度，以及良好的耐磨性及韌性等。超細(xì)微孔鉆削刀具角度螺旋角的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，D為螺旋槽的導(dǎo)程；r為鉆頭半徑。另外橫刃斜角和橫刃后角之間的關(guān)系可以表示為：

ctanα=sinφtan?0

(3)

式中，φ和?0分別為橫刃斜角和初始半鋒角；α為橫刃后角。此外，鉆削刀具的鉆頭直徑為1 mm。

將優(yōu)化的鉆削刀具安裝到鉆削工作臺(tái)上，同時(shí)安裝超聲波發(fā)生器、變壓器等設(shè)備作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在工作狀態(tài)下，超聲波發(fā)生器作為數(shù)控臺(tái)鉆的附加裝置，通過(guò)夾具和連接板實(shí)現(xiàn)與數(shù)控臺(tái)鉆主軸的固定鏈接[3]。在機(jī)床啟動(dòng)后，超聲發(fā)電機(jī)將交流電轉(zhuǎn)化為高頻電振蕩，然后通過(guò)傳導(dǎo)滑環(huán)傳輸至傳感器，使其從高頻電振蕩到高頻軸向機(jī)械振動(dòng)。但這種振幅一般為4～5 μm，要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)鉆機(jī)的加工，必須使其振幅在10～100 μm以上。這樣，傳感器的端部就必須與變幅桿緊密相連，從而放大傳感器所獲得的幅度。通過(guò)對(duì)鉆頭的振動(dòng)進(jìn)行分析，得到了一定程度的振動(dòng)，從而達(dá)到了鉆頭振動(dòng)的目的。

1.3 超細(xì)微孔鉆削力

在鉆削時(shí)，鉆頭的受力是比較復(fù)雜的，但是，由于鉆削刀具是左右對(duì)稱的，所以可以把鉆頭的徑向作用力看作是互相抵消的，這樣，鉆頭受到的鉆削力就是由只有由刀具進(jìn)給所產(chǎn)生的軸向力和由鉆削力產(chǎn)生的扭矩[4]。模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆頭的受力情況如圖2所示。

圖2 模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆頭受力示意圖

從圖2中可以看出，在鉆削力的計(jì)算過(guò)程中將鉆頭的主切削刃和橫刃分別離散成5個(gè)斜角切削單元和2個(gè)直角切削單元，其中Fx、Fy、Fz、FC、FV和FT分別表示鉆削刀具所受的切向力、徑向力、軸向力、主切削力、豎直方向力和側(cè)向力。圖2中變量dz表示各個(gè)鉆削單元中心到鉆頭中心的距離，h和vz對(duì)應(yīng)的是鉆芯的厚度和鉆頭的工作轉(zhuǎn)速[5]。在實(shí)際鉆削過(guò)程中存在如下關(guān)系式：

(4)

式中，α和β的具體取值可通過(guò)式(2)和式(3)直接得出。鉆削力與鉆頭材料、加工材料和每次旋轉(zhuǎn)的進(jìn)給量有關(guān)，鉆頭的軸向力及扭矩的計(jì)算結(jié)果可以表示為：

(5)

式中，KF和KM分別為鉆削刀具和加工工件的材料系數(shù)；D0為鉆頭直徑；xr為鉆頭給進(jìn)量；角標(biāo)zF、yF、zM和yM為鉆頭的響應(yīng)系數(shù)；γF和γM分別為鉆孔條件變化后的修正系數(shù)[6]。同理可以得出模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削過(guò)程中其他應(yīng)力的量化求解結(jié)果，進(jìn)而得出超細(xì)微孔的受力分析結(jié)果。

1.4 鉆削路徑

在模具鋼凸曲面上，由于模具鋼存在高度變化，因此初始鉆削刀具的安裝位置需高于凸曲面的最高點(diǎn)，并通過(guò)鉆削路徑的規(guī)劃，保證鉆削刀具能夠作用在凸曲面的超細(xì)微孔位置上[7]。圖3表示模具鋼凸曲面鉆削路徑的規(guī)劃流程。

圖3 模具鋼凸曲面鉆削路徑規(guī)劃流程圖

為了避免局部過(guò)切干涉問(wèn)題，在鉆削路徑規(guī)劃之前需要設(shè)置約束條件為：

(6)

式中，變量λmax為模具鋼凸曲面的最大法曲率，通過(guò)式(6)的約束保證鉆削刀具半徑始終低于模具鋼凸曲面的最小曲率半徑[8]。假設(shè)每次鉆削刀具的初始位置均為工作臺(tái)的原點(diǎn)，那么任意時(shí)刻鉆削刀具的刀位點(diǎn)可以表示為：

qc0=qp+rw

(7)

式中，qc0和qp分別為鉆削刀具刀位點(diǎn)矢量和刀觸點(diǎn)數(shù)量。其中，qp的具體取值由超細(xì)微孔的設(shè)置位置決定；w為刀觸點(diǎn)p位置上的單位法向矢量。將超細(xì)微孔的位置數(shù)據(jù)代入到式(7)中，即可確定鉆削刀具的加工位置，以此作為鉆削刀具單次移動(dòng)的目標(biāo)位置。在此基礎(chǔ)上，在考慮需要考慮模具鋼凸曲面產(chǎn)生的內(nèi)外允差的情況下計(jì)算走刀步長(zhǎng)，對(duì)于凸區(qū)域，當(dāng)存在內(nèi)允差時(shí)則采用弦線法進(jìn)行刀觸點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，否則選用切線法，走刀步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果可以表示為：

(8)

式中，δb為凸曲面沿走刀軌跡方向的法曲率；rδ為曲率半徑；e對(duì)應(yīng)的是逼近誤差值，最終的計(jì)算結(jié)果Ltangent和Lstring分別對(duì)應(yīng)的是切線法和弦線法得出的走刀步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果。定義初始刀觸點(diǎn)位置為P(t)，則下一個(gè)鉆削刀具觸點(diǎn)位置可以表示為：

P(t+1)=P(t)+L·t

(9)

式中，t為時(shí)間，聯(lián)立式(8)和式(9)便可得出下一個(gè)鉆削刀具觸點(diǎn)的具體位置，同理能夠得出超細(xì)微孔鉆削加工過(guò)程中所有位置求解結(jié)果。

1.5 鉆削參數(shù)的優(yōu)化

除了鉆削力和鉆削刀具移動(dòng)位置外，模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削加工效果還會(huì)受到溫度和速度的影響，因此需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置[9]。從溫度方面來(lái)看，在模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削過(guò)程中，由于切削區(qū)的擠壓、摩擦等作用，使工件表面產(chǎn)生了局部的熱膨脹。在基體材料的限制下，壓應(yīng)力將不斷增大直至超過(guò)工件的屈服極限。在鉆削加工后，由于里層基體對(duì)表面材料的限制，使得里層基體處于受壓應(yīng)力的狀態(tài)，而里層基體材料的冷縮減少，表面的冷縮增多[10]。溫差與表面拉伸強(qiáng)度之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此在鉆削加工過(guò)程中盡量保證鉆削溫度與室溫相同，最大鉆削溫度參數(shù)為35 ℃。鉆削速度參數(shù)的設(shè)置情況為：

(10)

式中，ω為鉆削角速度；vt為鉆頭進(jìn)給速度。由此完成超細(xì)微孔鉆削加工參數(shù)的優(yōu)化。

1.6 鉆削加工的實(shí)現(xiàn)

在加工環(huán)境中安裝優(yōu)化的鉆削刀具，將設(shè)置的鉆削參數(shù)、鉆削力以及軌跡生成結(jié)果輸入到模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削加工環(huán)境中，并在工作臺(tái)內(nèi)置控制器的約束下執(zhí)行鉆削加工工藝[11]。在鉆削加工工藝中，毛刺是影響鉆孔質(zhì)量的重要因素之一。由于毛刺的存在，導(dǎo)致鉆孔的精確度下降，從而影響到精密鉆孔工具的使用壽命。為此除了通過(guò)控制鉆削加工參數(shù)外，每完成一次鉆削操作都應(yīng)該執(zhí)行一次打磨操作，最大程度的保證模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削加工質(zhì)量。

2 試實(shí)驗(yàn)分析

鉆削加工質(zhì)量測(cè)試實(shí)驗(yàn)的主要目的是用鉆削刀具對(duì)模具鋼進(jìn)行鉆削加工，通過(guò)對(duì)孔擴(kuò)量、毛剌大小、鉆削刀具磨損以及孔心偏移量等質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)試，驗(yàn)證優(yōu)化模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)的加工質(zhì)量，并通過(guò)與優(yōu)化前加工技術(shù)的對(duì)比，驗(yàn)證鉆削加工技術(shù)是否達(dá)到優(yōu)化效果。

2.1 搭建模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削平臺(tái)

采用DMU80 mono BLOCK加工中心作為模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削平臺(tái)

采用 NakanishiHES-510型空氣主軸，使微鉆轉(zhuǎn)速加快，轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000轉(zhuǎn)/min，定位精度小于1 μm，徑向跳躍小于5 μm，能實(shí)現(xiàn)高精度Z方向的高速旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)固定底板、虎鉗夾緊、襯墊構(gòu)成了鉆機(jī)工作臺(tái)的夾緊裝置，固定底板用于安裝測(cè)力儀和虎鉗夾具；該虎鉗是用來(lái)固定襯墊和工件，并利用加減法調(diào)節(jié)工件的高度。在此基礎(chǔ)上將優(yōu)化設(shè)計(jì)的鉆削刀具安裝在加工平臺(tái)中，通過(guò)調(diào)試保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠驅(qū)動(dòng)鉆削刀具按既定程序加工。由于微細(xì)鉆頭容易斷裂，加工效果對(duì)工藝參數(shù)的選取十分敏感，因此為了確保取得較好的效果，必須進(jìn)行多次試鉆。

2.2 鉆削加工試件與加工任務(wù)的準(zhǔn)確

選擇模具鋼作為原材料，將其制成長(zhǎng)120 mm、寬80 mm、厚6 mm的初始樣件，在此基礎(chǔ)上采用感應(yīng)加熱表面淬火工藝對(duì)試件進(jìn)行不同程度的熱處理加工，使得模具鋼表面產(chǎn)生凸曲面，將具有凸曲面的模具鋼作為鉆削加工試件。針對(duì)不同的試件分別設(shè)置不同的鉆削任務(wù)，部分任務(wù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 部分鉆削加工任務(wù)設(shè)置表

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的試件數(shù)量共80個(gè)，每個(gè)試件對(duì)應(yīng)一個(gè)鉆削加工任務(wù)。

2.3 描述鉆削加工與質(zhì)量測(cè)試過(guò)程

根據(jù)鉆削加工試件與加工任務(wù)的設(shè)置情況，設(shè)置鉆削力、鉆削速度等參數(shù)，將其導(dǎo)入到搭建的鉆削平臺(tái)中。將鉆削加工試件以及刀具安裝到指定位置上，同時(shí)啟動(dòng)鉆削技術(shù)和平臺(tái)電源，完成模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削加工操作。圖5為1號(hào)試件鉆削加工參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)鉆削數(shù)據(jù)波動(dòng)情況。

圖5 模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工操作界面

按照上述操作可以得出實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備所有試件的鉆削加工操作結(jié)果。為了體現(xiàn)出優(yōu)化加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置優(yōu)化前的鉆削加工技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比技術(shù)，并保證兩種技術(shù)的處理試件和鉆削參數(shù)均相同。

2.4 設(shè)置鉆削加工質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置孔擴(kuò)量、孔心偏移量、毛刺面積以及刀具磨損量作為模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)，其中孔擴(kuò)量的大小可根據(jù)鉆孔的實(shí)際加工孔徑和鉆頭的標(biāo)稱直徑之差，也就是通過(guò)對(duì)鉆孔孔徑的測(cè)量，該指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果為：

(11)

式中，Dmachining-j和Dset-j分別為第j個(gè)超細(xì)微孔的鉆削加工直徑和預(yù)設(shè)直徑；m為設(shè)置的超細(xì)微孔加工數(shù)量?？仔钠屏糠从沉顺?xì)微孔預(yù)期鉆削位置與實(shí)際加工位置之間的偏差，其數(shù)值結(jié)果如下：

εhole=|xmachining-xset|+|ymachining-yset|

(12)

式中，(xmachining,ymachining)和(xset,yset)對(duì)應(yīng)的是預(yù)設(shè)超細(xì)微孔位置和實(shí)際加工位置。另外毛刺面積以及刀具磨損量的計(jì)算公式如下：

(13)

式中，ns為模具鋼凸曲面超細(xì)微孔周圍的毛刺數(shù)量；hs和ls分別為毛刺的高度和長(zhǎng)度；labrasion和habrasion分別為刀具磨損位置的長(zhǎng)度和寬度。計(jì)算得出孔擴(kuò)量、孔心偏移量、毛刺面積以及刀具磨損量的值越低，證明對(duì)應(yīng)模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)的加工質(zhì)量越好。

2.5 鉆削加工質(zhì)量測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的鉆削加工以及測(cè)量，得出孔擴(kuò)量指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 模具鋼凸曲面超細(xì)微孔的孔擴(kuò)量測(cè)試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(11)中，得出模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)優(yōu)化前后得出超細(xì)微孔的孔擴(kuò)量分別為0.01 mm和0.002 8 mm。通過(guò)式(12)的計(jì)算，得出優(yōu)化前后鉆削加工孔心偏移量的測(cè)試對(duì)比結(jié)果，如圖6所示。

圖6 模具鋼凸曲面超細(xì)微孔孔心偏移量對(duì)比結(jié)果

從圖6中可以直觀的看出，與對(duì)比鉆削加工技術(shù)相比，優(yōu)化后的模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)的孔心偏移量更小。利用顯微鏡設(shè)備觀察模具鋼凸曲面超細(xì)微孔和鉆削刀具的表面形態(tài)，并測(cè)量毛刺以及磨損量數(shù)據(jù)，得出毛刺面積和刀具磨損量指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。圖7為出口毛刺和刀具模型情況的觀測(cè)結(jié)果。

(a) 出口毛刺形貌

(b) 鉆削刀具磨損圖7 模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削質(zhì)量測(cè)試對(duì)比結(jié)果

從圖7中可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后鉆削加工得出的超細(xì)微孔的毛刺數(shù)量更少、毛刺高度更低、磨損面積明顯降低。通過(guò)式(13)的計(jì)算，得出量化測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 超細(xì)微孔鉆削毛刺面積與刀具磨損量測(cè)試數(shù)據(jù)表 (mm2)

通過(guò)計(jì)算表3的平均值可知，優(yōu)化前后模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)得出加工結(jié)果的平均毛刺面積分別為0.305 mm2和0.099 mm2，鉆削刀具的平均磨損量分別為0.260 mm2和0.165 mm2。綜上所述，與文獻(xiàn)[1]提出的優(yōu)化前鉆削加工技術(shù)相比，應(yīng)用優(yōu)化后的模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)得出的超細(xì)微孔質(zhì)量更高，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工優(yōu)化技術(shù)。從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面優(yōu)化鉆削刀具，并規(guī)劃了模具鋼凸曲面鉆削路徑，優(yōu)化溫度、速度等鉆削參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)模具鋼凸曲面超細(xì)微孔鉆削加工技術(shù)的優(yōu)化，該技術(shù)有效提高了模具鋼凸曲面超細(xì)微孔加工質(zhì)量，對(duì)模具鋼的使用以及機(jī)械設(shè)備的加工工作均具有較高的實(shí)用價(jià)值。