基于有限元仿真的曲軸內(nèi)銑加工參數(shù)優(yōu)化

郭智昊， 解麗靜， 謝志勇， 梁國祥

(1. 北京理工大學(xué)， 北京100081)

(2. 山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000)

曲軸的使用工況條件嚴(yán)苛，要承受復(fù)雜的沖擊載荷，且其是組成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的核心零件，因此對曲軸的材質(zhì)、加工精度以及自身的強(qiáng)度和剛度要求均非常嚴(yán)格[1]。曲軸粗加工是曲軸加工工藝過程中材料去除量最大的一道工藝，通常采用數(shù)控車削、數(shù)控外銑、數(shù)控內(nèi)銑、車—車?yán)燃庸し椒?，其中?shù)控內(nèi)銑因其特殊的多刀盤柔性加工方式，能夠取得加工精度高、加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定等較好的加工效果[2-3]。但是內(nèi)銑加工主要依賴實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，面臨著缺少加工參數(shù)確定方法的問題[4]。

仿真方法被廣泛地用來對切削加工進(jìn)行研究。岳彩旭等[5]建立了凸曲面銑削的三維熱力耦合仿真模型，對銑削過程的力/熱參數(shù)變化特性進(jìn)行了研究。景旭文等[6]研究了不同切削參數(shù)對42CrMo銑削仿真結(jié)果的影響，利用切屑形態(tài)對比驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性，并通過仿真得到不同切削參數(shù)下銑削力的變化規(guī)律。叢靖梅等[7]提出了一種預(yù)測薄壁件殘余應(yīng)力變形的有限元仿真方法，并且基于這種方法，實(shí)現(xiàn)了對薄壁件加工工藝參數(shù)的優(yōu)化。程耀楠等[8]建立了不同前角組合的銑削仿真模型，結(jié)合層切面銑刀進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了協(xié)助刀具開發(fā)和優(yōu)化切削參數(shù)的目的。

針對曲軸內(nèi)銑加工中切削用量選取缺少標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)銑加工可能產(chǎn)生變形的情況，通過有限元仿真預(yù)測了內(nèi)銑加工參數(shù)和精度要求之間的關(guān)系，達(dá)到了優(yōu)化曲軸內(nèi)銑加工參數(shù)的目的，說明有限元仿真方法可以用于根據(jù)精度要求確定內(nèi)銑加工參數(shù)。

1 切削過程有限元仿真

1.1 曲軸內(nèi)銑切削幾何

內(nèi)銑的切削靠刀盤和零件的相對運(yùn)動(dòng)完成，多種刀片按照一定規(guī)律安裝在刀盤上，每種刀片在刀盤上有1種或多種布置方式，每種銑刀刀片及其布置方式和工件形成1種切削幾何。

研究所用的銑刀刀盤上共有2種銑刀刀片，每種刀片在刀盤上只有1種布置方式和1種安裝角度，刀盤和曲軸之間只有2種切削幾何。其布置示意圖如圖1所示。

不同種類內(nèi)銑加工機(jī)床的加工原理不同，我們基于德國Heller生產(chǎn)的RFK內(nèi)銑加工機(jī)床進(jìn)行研究。在加工主軸頸時(shí)，曲軸始終繞主軸頸中心旋轉(zhuǎn)，刀盤徑向進(jìn)給到切削深度后停止進(jìn)給，并且和曲軸同向以更高的速度旋轉(zhuǎn)，形成順銑的加工方式，曲軸旋轉(zhuǎn)1周后，一段軸頸曲面加工完成。在加工連桿軸頸時(shí)，曲軸同樣是繞主軸頸中心旋轉(zhuǎn)，刀盤徑向進(jìn)給到切削深度后停止進(jìn)給，刀盤在CNC控制下跟隨連桿軸頸的運(yùn)動(dòng)軌跡形成圓周進(jìn)給，曲軸旋轉(zhuǎn)1周，連桿軸頸曲面銑削完成。雖然加工這2個(gè)部分時(shí)工件和刀盤相對于機(jī)床坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方式不同，但是曲軸和刀盤的相對運(yùn)動(dòng)方式相同，形成同樣的切削幾何。

銑刀刀片和工件之間形成共2種切削幾何，曲軸繞主軸頸中心旋轉(zhuǎn)，刀片隨刀盤繞刀盤中心順著曲軸旋轉(zhuǎn)方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且速度遠(yuǎn)大于曲軸旋轉(zhuǎn)速度。

1.2 建立切削仿真模型

曲軸的連桿軸頸相對于主軸頸來說剛度更弱，承受的載荷更為復(fù)雜，具有更惡劣的工況，所以選擇連桿軸頸的加工作為研究對象。曲軸零件相對來說較大，考慮到需進(jìn)行三維銑削仿真，并且需要提取銑削力，會(huì)有較大的計(jì)算量，所以將曲軸零件模型簡化為截面為扇形的柱體。根據(jù)刀盤上刀片的分布情況，加工中4個(gè)刀片在工件上切過的最大角度為38°，考慮到切入和切出量，取扇形角度為60°。2種銑刀刀片按照1∶1的比例建立模型。刀片實(shí)物照片如圖2所示，仿真模型如圖3所示，工件仿真模型如圖4所示。

按照測量和分析得到的切削幾何在Abaqus中裝配切削模型，考慮到切入的第1刀不具有普遍性，在模型中布置4個(gè)刀片，每種刀片2個(gè)，2種刀片交錯(cuò)布置，如圖5所示。前2個(gè)刀片用于形成切入幾何，這樣后2個(gè)刀片的切削就具有了普遍性，并且后2個(gè)刀片用于導(dǎo)出銑削力。

工件材料按照所用曲軸鋼的實(shí)際參數(shù)輸入塑性、密度、膨脹系數(shù)和損傷參數(shù)，材料本構(gòu)采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型。刀片定義為剛體。

將模型網(wǎng)格化，為了得到更加精確的計(jì)算結(jié)果，將曲軸待加工表面及其附近部分的網(wǎng)格進(jìn)行密化。按照表1設(shè)計(jì)的參數(shù)對工件和刀片施加相應(yīng)的轉(zhuǎn)速載荷。

表1 曲軸內(nèi)銑參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3 仿真結(jié)果分析

對比同一截面上的第1刀和第2刀，發(fā)現(xiàn)第2刀的切削量遠(yuǎn)小于第1刀，且刀盤轉(zhuǎn)速越快，單個(gè)刀片對應(yīng)的切削量就越小。圖6是仿真中得到的X方向的銑削力，可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生第1刀切削時(shí)銑削力波動(dòng)明顯，且銑削力數(shù)值遠(yuǎn)大于后續(xù)的銑削力，且直角刀片的銑削力要大于圓角刀片的。

圖7為內(nèi)銑切削形貌的仿真。內(nèi)銑中的材料去除量相比于曲軸整體較小，其銑削力影響有限，所以考慮加工中具有普遍性的最大銑削力，即直角刀片第2刀切削的銑削力。導(dǎo)出3種切削參數(shù)下直角刀片第2刀的銑削力并取穩(wěn)定切削段的均值，其結(jié)果如表2所示。

表2 3種參數(shù)下的3個(gè)方向銑削力

從表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，3個(gè)方向的銑削力均呈減小趨勢。

2 銑削力作用下的曲軸變形仿真

為了研究銑削力對于曲軸連桿軸頸的作用效果，將仿真中獲得的銑削力施加到曲軸第三連桿軸頸上，并且對其圓柱度進(jìn)行測量分析。

圖8 銑削力施加位置

2.1 施加切削力載荷

在切削過程中，隨著刀盤和曲軸的旋轉(zhuǎn)，銑刀和工件的接觸區(qū)域在連桿軸頸外圓面上旋轉(zhuǎn)，銑削載荷也在旋轉(zhuǎn)。而曲軸的第三連桿軸頸在不同方向上剛度不同，造成其變形量在不同方向上的差異，從而導(dǎo)致第三連桿軸頸在銑削后產(chǎn)生形狀和位置的誤差。為了揭示這種變形的差異，需要考慮銑刀在銑削連桿軸頸不同位置時(shí)的變形量。為此，在第三連桿軸頸外圓柱面上按照角度等分選取8個(gè)不同的銑刀銑削載荷施加位置，如圖9所示。

圖9 銑削力施加方法

仿真得到8個(gè)角度施加銑削力后的變形結(jié)果模型，得到如圖10所示的銑削力作用仿真結(jié)果。其中，變形量以加倍顯示的方式呈現(xiàn)以顯著體現(xiàn)變形量。

圖10 銑削力作用仿真結(jié)果

2.2 仿真結(jié)果分析

分別提取8個(gè)方向上的變形量，可以獲得第三連桿軸頸的銑削形狀，從而獲得其圓柱度等形狀誤差信息。獲取發(fā)生塑性變形后第三軸頸上點(diǎn)的坐標(biāo)，將這些點(diǎn)導(dǎo)入GOM軟件，采用高斯擬合獲得內(nèi)銑加工后曲軸第三連桿軸頸的外表面，測得其圓柱度誤差結(jié)果見表3。

表3 不同刀盤轉(zhuǎn)速銑削力下的曲軸連桿軸頸圓柱度誤差

隨著內(nèi)銑刀盤的轉(zhuǎn)速升高，獲得的軸頸圓柱度誤差逐漸減小，但是減小的趨勢隨著轉(zhuǎn)速的提高有所下降(圖11)。在實(shí)際工程運(yùn)用中，應(yīng)該按圓柱度誤差要求選擇合適的切削參數(shù)。

圖11 圓柱度和刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3 結(jié)論

通過有限元仿真獲得曲軸內(nèi)銑的切削形貌模型，并且獲得了不同刀盤轉(zhuǎn)速下的銑削力數(shù)據(jù)。使用在8個(gè)方向分別加載銑削力的加載方式獲得了銑削力作用下曲軸變形的仿真模型。分析發(fā)現(xiàn)，曲軸內(nèi)銑銑削力隨著刀盤轉(zhuǎn)速的提高而減小，且曲軸軸頸的圓柱度誤差也減小，但是誤差減小的速率隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低。

通過有限元仿真可以在一定程度上預(yù)測曲軸的加工誤差，并且對內(nèi)銑加工進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，但考慮到仿真中因?yàn)椴牧媳緲?gòu)的缺陷、加工中不同批次材料性能的不一致、刀具磨損、設(shè)備狀況等因素，應(yīng)該將仿真結(jié)果作為工程應(yīng)用的考慮因素之一，同實(shí)際加工情況相結(jié)合來運(yùn)用。