基于有限元技術(shù)的噴油嘴鉆削工藝優(yōu)化研究

丁子昊 黃立新

摘? 要： 噴油嘴是柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中的重要組成部分，噴油嘴噴孔的加工質(zhì)量對于柴油機(jī)的性能有著很大的影響。針對鉆削加工中無法實時觀測鉆頭及鉆屑狀態(tài)的問題，采用通過有限元分析軟件AdvantEdge仿真模擬了鉆頭的鉆削過程，分析了噴油嘴鉆削加工過程中鉆頭與切屑的變化狀態(tài)，以及加工工藝參數(shù)對切削力的影響。其中，切削力隨著進(jìn)給速度的增大而增大，隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，切屑的螺距隨著主軸速度的增大而減小，切屑的卷曲情況隨著進(jìn)給的增加而變得平緩。使用MATLAB以最大材料去除率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到噴油嘴鉆削加工工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，為加工生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 噴油嘴; 金屬切削; 有限元分析; 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TE164? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）08-04-03

Abstract： Injection nozzle is an important part of high pressure common rail system of diesel engine. The processing quality of injection nozzle hole has a great influence on the performance of diesel engine. Aiming at the problem that the drill bit and cutting state is not able to be observed simultaneously in drilling process， the drilling process of the bit is simulated by using finite element analysis software AdvantEdge. The changing state of the bit and chip during the drilling process of the injector nozzle and the influence of the processing parameters on the cutting force are analyzed. The cutting force increases with the increase of feed speed and decrease with the increase of rotational speed. The pitch of chips decreases with the increase of spindle speed， and the curl of chips becomes smooth with the increase of feed. For the goal of maximum material removal rate， the optimum combination of drilling process parameters is obtained by the optimization design with MATLAB， which provides a theoretical basis for processing and production.

Key words： injector nozzle; metal cutting; finite element analysis; optimization design

0 引言

柴油機(jī)的工作性能、油耗以及顆粒排放與噴油嘴噴孔的直徑、形狀、粗糙度等特性有著緊密的聯(lián)系。噴油嘴噴孔常用的加工方法為使用數(shù)控鉆床加工。而噴孔的鉆削是一種在半密閉情況下進(jìn)行的加工，無法直接觀察到加工過程中噴孔的表面加工狀態(tài)以及微細(xì)鉆頭的狀態(tài)。目前，還沒有實用的方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線觀測孔內(nèi)鉆頭、切屑及工件的狀態(tài)以及溫度動態(tài)特性[1-3]。

本文針對噴油嘴鉆削加工這一問題，采用有限元方法分析，加工過程中鉆削力以及切屑形態(tài)的動態(tài)變化。同時得出了進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速對切削力的影響，并且使用優(yōu)化設(shè)計方法得到最佳工藝參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 噴油嘴鉆削有限元仿真

1.1 仿真過程

實驗所用的刀具材料使用硬質(zhì)合金WC，柴油機(jī)噴油嘴材料選用合金鋼20CrMo。在AdvantEdge軟件內(nèi)根據(jù)實驗方案分別設(shè)置刀具、工件、加工參數(shù)以及邊界條件后開始進(jìn)行實驗。

⑴ 切削條件：主軸轉(zhuǎn)速10000r/min、進(jìn)給量0.02mm/r。在加工過程進(jìn)行初期，鉆頭與工件接觸后開始產(chǎn)生切屑。隨后，切削深度變大，鉆削力達(dá)到最大值，扭矩變大。在鉆頭切入工件后，如圖1（a）所示，切屑在前刀面生成后沿螺旋槽上升并且開始側(cè)卷，此部分切屑呈螺旋狀，切屑基本形成之后，扭矩達(dá)到最大值，并且一直保持在該值左右，在此期間有輕微的波動，同時軸向力回落。切屑通過螺旋槽離開鉆頭，扭矩開始下降，而軸向力繼續(xù)下降。

在離心力的作用下，切屑末端向外甩出，切屑末端離開螺旋槽，接著切屑斷裂，切屑呈頭部c字型、尾部螺旋型的復(fù)合形態(tài)，之后銅屑飛出螺旋槽外。軸向力與扭矩在鉆頭接觸工件表面之后很短一段時間內(nèi)迅速上升達(dá)到最大值，隨著鉆削深度增加，軸向力逐漸下降，扭矩則保持最大值，在鉆頭鉆出工件后迅速下降。

⑵ 切削條件：主軸轉(zhuǎn)速10000r/min、進(jìn)給量0.04mm/r。在鉆頭鉆入工件后，螺旋槽中沒有明顯的切屑產(chǎn)生，在一側(cè)切削刃轉(zhuǎn)動一圈過后，鉆孔入口處出現(xiàn)毛邊。隨著鉆頭繼續(xù)深入，此時螺旋槽內(nèi)開始產(chǎn)生切屑，切屑形態(tài)為短而直的帶狀切屑，軸向力達(dá)到最大值，扭矩上升。切屑上升一定距離后斷裂飛出，除有之前產(chǎn)生的短帶狀切屑，還有部分切屑形態(tài)呈扇形，如圖1（b）所示。在切屑斷裂之前，扭矩達(dá)到最大值，入口毛邊在切屑與鉆頭的共同擠壓下破裂，形成毛刺，并且產(chǎn)生較少的碎屑狀切屑，如圖1（b）所示。

⑶ 切削條件：主軸轉(zhuǎn)速13000r/min，進(jìn)給量0.04mm/r時，鉆削力變化情況與10000r/min，0.04mm/r相似，鉆削時間變短。切屑形態(tài)與10000r/min時相似，不同之處在于出口毛刺高度變大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15000r/min，進(jìn)給量為0.02mm/r時，鉆削力情況與10000r/min，0.02mm/r相似，切削時間變短。由于轉(zhuǎn)速增加，切屑在螺旋槽中的上升速度增大，與螺旋槽接觸發(fā)生側(cè)卷的部分變多，因此切屑形態(tài)更加接近螺旋型。

⑷ 切削條件：主軸轉(zhuǎn)速15000r/min，進(jìn)給量0.06mm/r。切屑形態(tài)為短帶狀切屑，出口毛刺高度相較于較小進(jìn)給量時變的更高。當(dāng)進(jìn)給量不變，轉(zhuǎn)速為13000r/min時，出現(xiàn)類似的情況。

1.2 鉆頭主要磨損區(qū)域

如圖2所示，鉆削時的主要應(yīng)力分布集中在主切削刃以及橫刃上，同時，當(dāng)進(jìn)給速度變大時，后刀面上的應(yīng)力也會相應(yīng)地增大?？梢詮膱D2中看出，刀具磨損面積較大的區(qū)域集中在主切削刃與鉆頭外徑的交界處。主要原因是由于在鉆削的過程中，副后刀面不斷與孔壁摩擦所導(dǎo)致的。同時，遠(yuǎn)離鉆頭中心部分的切削刃的切削速度較中心處大，因此磨損程度也就更加嚴(yán)重。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 進(jìn)給速度對于鉆削力的影響規(guī)律

進(jìn)給速度與加工效率之間是正比例關(guān)系，隨著進(jìn)給速度的增大，軸向鉆削力逐漸增大。這是由于在轉(zhuǎn)速保持不變的情況下增大進(jìn)給速度，相當(dāng)于在單位時間內(nèi)增加了切削量，切屑的理論厚度增加，導(dǎo)致了受到來自材料的抵抗力增大，因此軸向鉆削力也相應(yīng)增大，但進(jìn)給速度的增加也不能過大，當(dāng)進(jìn)給速度過大時，受到抗力也增加，會引起切削刃的損耗，影響排屑。

2.2 轉(zhuǎn)速的影響對于鉆削力的影響規(guī)律

軸向鉆削力隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。保持進(jìn)給速度不變而增大轉(zhuǎn)速，可以視作等同于減少進(jìn)給速度，導(dǎo)致了切屑的理論厚度變小，刀具具受到更少來自工件以及形成切屑過程中產(chǎn)生的的作用反力，從而導(dǎo)致軸向力的下降。

2.3 進(jìn)給速度對于切屑形態(tài)的影響規(guī)律

進(jìn)給速度的改變會導(dǎo)致切屑形態(tài)的變化。在主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，增大進(jìn)給速度可以縮短鉆削時間。切屑形態(tài)根據(jù)進(jìn)給速度的改變而相應(yīng)發(fā)生變化，螺旋切屑的長度隨著進(jìn)給量的增大而減小，切屑的變形程度發(fā)生改變;當(dāng)進(jìn)給速度增大時，切屑的打卷情況變得平緩。因此，在加工時選擇合適的進(jìn)給速度能有效地控制切屑長度，以免鉆頭產(chǎn)生堵塞。

2.4 主軸轉(zhuǎn)速對于切屑形態(tài)的影響規(guī)律

主軸轉(zhuǎn)速較低時，切屑會發(fā)生纏繞現(xiàn)象，但在主軸轉(zhuǎn)速足夠大的情況下，切屑在生成之后不久便會脫離螺旋槽，降低了發(fā)生切屑堵塞的概率。由于轉(zhuǎn)速的增加，單位時間內(nèi)受到切削部分作用的工件也變增多，切屑的產(chǎn)生量相應(yīng)變大，當(dāng)先前產(chǎn)生的切屑還處于滯留狀態(tài)時，新的切屑又已經(jīng)生成，對于之前生成的切屑產(chǎn)生一個擠壓的作用，由于兩種切屑的流動速度不同，先生成的切屑在擠壓作用下發(fā)生更快的卷曲。

3 加工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化模型的建立

在生產(chǎn)過程中合理制定加工工藝參數(shù)，是提高生產(chǎn)效率的主要方法。鉆削過程中出現(xiàn)的主要切削抗力為軸向力與扭矩。在固定的鉆孔條件下，改變切削用量，測試其相應(yīng)的數(shù)值，經(jīng)過數(shù)據(jù)回歸處理，得出鉆削力經(jīng)驗公式的數(shù)學(xué)模型為：

3.2 優(yōu)化結(jié)果

通過對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使用MATLAB進(jìn)行計算后得到工藝參數(shù)的最優(yōu)值，再選擇接近整數(shù)的參數(shù)可得到最佳的工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，進(jìn)給量0.02mm/r。

4 結(jié)論

本文通過對鉆頭鉆削噴油嘴的過程進(jìn)行了有限元仿真分析。研究了轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給量對于鉆削力的影響，同時在實現(xiàn)最大材料去除率的基礎(chǔ)上對于加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

⑴ 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不變時，隨著進(jìn)給速度增大，鉆削力逐漸增大;當(dāng)進(jìn)給速度不變時，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，鉆削力逐漸減小。

⑵ 切屑的螺距隨著主軸速度的增大而減小，切屑的卷曲情況隨著進(jìn)給的增加而變得平緩。

⑶ 通過MATLAB進(jìn)對于加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，可得到最佳的工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，進(jìn)給量0.02mm/r。

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