金屬切削過(guò)程模擬技術(shù)在缸體AF240工序提升刀具壽命的應(yīng)用

薛飛，黃忠，黃迪

1.上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

2.上海電機(jī)學(xué)院 上海 201306

1 序言

轎車發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件對(duì)制造精度和生產(chǎn)效率都有非常嚴(yán)格的要求，如何在滿足產(chǎn)品質(zhì)量和效率的前提下降低刀具成本成為重要課題。傳統(tǒng)的刀具降本方法往往憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的刀具加工情況進(jìn)行分析，然后對(duì)刀具供應(yīng)商提出修改意見(jiàn)，重新設(shè)計(jì)并制造新的試驗(yàn)刀具，再上機(jī)床進(jìn)行試切。這個(gè)過(guò)程不僅周期太長(zhǎng)，而且專用刀具的試制費(fèi)用往往很高。

2 問(wèn)題提出

缸體三線AF240工序采用GROB（格勞博）公司的專用機(jī)床，這是用一條輸送線將22個(gè)機(jī)加工位連接在一起的，如圖1所示。當(dāng)上一個(gè)工位加工結(jié)束后，由輸送機(jī)構(gòu)將缸體抬起搬運(yùn)至下一個(gè)工位進(jìn)行后續(xù)加工。機(jī)加工位往往采用1個(gè)滑臺(tái)上布置多個(gè)主軸同時(shí)加工（見(jiàn)圖2），可以在一次裝夾中同時(shí)加工多個(gè)孔系，保證各個(gè)孔系之間的相互位置。由于多個(gè)工位同時(shí)加工，每個(gè)工位的加工內(nèi)容各不相同，加工的節(jié)拍也有快有慢，有些工位加工結(jié)束后仍需等待瓶頸工位加工結(jié)束才由輸送機(jī)構(gòu)搬運(yùn)、輸送工件。因此我們?cè)O(shè)想在不超過(guò)瓶頸工序節(jié)拍的前提下，將其他非瓶頸工序的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度降低到最優(yōu)值，來(lái)提高刀具壽命。但1臺(tái)專機(jī)上有十幾個(gè)工位，每個(gè)工位又有十幾把鉆頭，如何快速高效地找到最合理的切削參數(shù)是問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖1 機(jī)床布局

圖2 臥式機(jī)床結(jié)構(gòu)

此外還要指出的是，所用的麻花鉆都是帶內(nèi)冷的整體硬質(zhì)合金涂層麻花鉆，當(dāng)達(dá)到刀具理論壽命后統(tǒng)一替換，由刃磨車間對(duì)鉆頭修磨后繼續(xù)使用。由于刃磨車間的條件限制和成本限制，所以修磨后的鉆頭不再進(jìn)行涂層處理，1只鉆頭約修磨7～8次才報(bào)廢，也就是說(shuō)絕大多數(shù)時(shí)候使用的鉆頭都是沒(méi)有涂層的，而設(shè)備供應(yīng)商所設(shè)定的切削參數(shù)都是針對(duì)全新有涂層的刀具。因此實(shí)際使用中鉆頭往往過(guò)度磨損，造成切削抗力增大，引起加工孔位置度超差，甚至鉆頭折斷。

3 圓錐磨法麻花鉆幾何模型的建立

3.1 麻花鉆基體的建模

在SolidWorks軟件中選擇前視圖平面作為草圖繪制平面，根據(jù)刀具修磨圖的尺寸，用直線圓弧命令繪制麻花鉆橫截面的草圖（見(jiàn)圖3）。根據(jù)螺旋角和導(dǎo)程的原理可以得到公式

式中，L為導(dǎo)程（mm）；D為麻花鉆直徑（mm）；θ為麻花鉆外緣處螺旋角（°）[1]。

根據(jù)公式（1）計(jì)算出鉆頭螺旋槽螺距為60mm，按照計(jì)算結(jié)果繪制1條螺旋線，再以圖3繪制的麻花鉆橫截面為輪廓，以螺旋線為路徑生成麻花鉆的基體（見(jiàn)圖4）。

圖3 麻花鉆橫截面草圖

圖4 掃描生成麻花鉆的基體

3.2 麻花鉆后刀面的建模

麻花鉆的后刀面有“平面刃磨法” “圓柱面刃磨法” “圓錐面刃磨法”“螺旋面刃磨法”等多種不同磨法。實(shí)際生產(chǎn)中使用的是圓錐面刃磨法，這種刃磨方法切削刃強(qiáng)度高，易于在五軸數(shù)控工具磨床上實(shí)現(xiàn)[2，3]。

建立1個(gè)與麻花鉆軸向平行，到軸心線距離為1/2鉆芯厚度的平面作為繪制圓錐后刀面草圖輪廓的基準(zhǔn)面（見(jiàn)圖5），再旋轉(zhuǎn)草圖生成圓錐面（見(jiàn)圖6），并以此圓錐面切除麻花鉆基體上的多余部分，得到麻花鉆后刀面（見(jiàn)圖7），最后繞麻花鉆軸心線圓周陣列，得到另一個(gè)后刀面。

圖5 圓錐草圖

圖6 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生圓錐面

圖7 麻花鉆后刀面

3.3 橫刃的建模

標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的橫刃處是60°的負(fù)前角，同時(shí)橫刃處于靠近鉆芯部分，線速度幾乎為零，是切削過(guò)程中最惡劣的地方。修磨橫刃不僅要縮短橫刃長(zhǎng)度，而且要增大橫刃處的前角，同時(shí)還要磨削尾根棱處，增大鉆頭切削部分的容屑空間，以提高鉆頭尾根棱處的強(qiáng)度。

按磨削橫刃處矩形砂輪位置繪制草圖（見(jiàn)圖8），將橫刃和尾根棱處切除，至此麻花鉆建模完成，如圖9所示。

圖8 橫刃處草圖

圖9 完成建模的麻花鉆

4 鉆削過(guò)程的仿真

金屬切削的本質(zhì)是通過(guò)刀具的擠壓使金屬表面產(chǎn)生擠壓剪切的一種大應(yīng)變、高應(yīng)變率的復(fù)雜熱力耦合過(guò)程。DEFORM-3D V 11.0軟件是主要用于金屬塑性加工的工藝仿真軟件，這款軟件帶有專用切削模塊，提供鉆、車、銑、鏜及攻螺紋等多種加工工藝，操作簡(jiǎn)便，并帶有多種初始變量和材料庫(kù)的默認(rèn)參數(shù)。強(qiáng)大的網(wǎng)格自適應(yīng)劃分功能針對(duì)剪切區(qū)有較好的分析能力，這個(gè)特點(diǎn)在大應(yīng)變的金屬切削過(guò)程中可保證模擬結(jié)果的真實(shí)可靠[4]。

進(jìn)入3D切削專用模塊，選擇公制單位，選擇鉆削的工藝模塊。設(shè)定鉆削的線速度單位為m/min，進(jìn)給率單位為mm/s，并設(shè)定初始變量和物理?xiàng)l件（見(jiàn)圖10）。

圖10 設(shè)定仿真工藝參數(shù)

導(dǎo)入鉆頭模型，注意目前DEFORM-3D軟件不支持文件路徑中含有中文字符。

DEFORM-3D界面的坐標(biāo)系會(huì)繼承之前建模軟件的坐標(biāo)系，如果導(dǎo)入DEFORM-3D后發(fā)現(xiàn)位置不對(duì)，也可通過(guò)旋轉(zhuǎn)、偏移等方式做適當(dāng)調(diào)整（見(jiàn)圖11）。一般選擇鉆頭朝向Z軸負(fù)方向。

圖11 調(diào)整刀具位置對(duì)話框

選擇刀具材料，軟件不僅提供了高速鋼、金剛石及硬質(zhì)合金等刀具基體材質(zhì)，還提供了多種刀具涂層的材質(zhì)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，刀具材料選用無(wú)涂層的WC硬質(zhì)合金。

對(duì)刀具模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見(jiàn)圖12），并自動(dòng)生成刀具與外界溫度交換的邊界條件。這里需要注意網(wǎng)格大小不能超過(guò)每齒進(jìn)給量的40%，網(wǎng)格越小仿真結(jié)構(gòu)越精確，但是求解運(yùn)算過(guò)程的耗時(shí)會(huì)明顯增加。由于不考慮刀具的變形，因此刀具的網(wǎng)格數(shù)量可以相對(duì)較少，以提高求解運(yùn)算的速度。

圖12 刀具模型網(wǎng)格劃分

對(duì)生成網(wǎng)格的工件進(jìn)行邊界條件設(shè)定，只對(duì)圓柱表面添加x、y和z3個(gè)方向的固定約束即可（見(jiàn)圖13）。如果不固定，工件會(huì)自由擺動(dòng)，鉆頭不能鉆進(jìn)工件，如果對(duì)所有表面進(jìn)行固定，則鉆頭無(wú)法產(chǎn)生切屑。

圖13 設(shè)定工件邊界條件

設(shè)定工件模型，將刀具設(shè)定為塑性體。因?yàn)樵谇邢鬟^(guò)程中彈性變形相對(duì)影響較小，可以忽略不計(jì)。根據(jù)鉆頭直徑和鉆孔深度設(shè)置工件尺寸。

設(shè)置材料的流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)曲線，設(shè)置楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)及比熱容等參數(shù)（見(jiàn)圖14），設(shè)定鉆削行程和模擬步數(shù)，并進(jìn)行求解運(yùn)算（見(jiàn)圖15）。

圖14 設(shè)定流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)

圖15 求解運(yùn)算結(jié)果

5 分析

以鉆缸體主油道的整體硬質(zhì)合金深孔鉆為例，根據(jù)該工位節(jié)拍17.01s，瓶頸工序節(jié)拍23.5s，最慢可以將節(jié)拍放慢為400mm/min，參考刀具樣本上推薦切削參數(shù)范圍，分成若干組（見(jiàn)表1）進(jìn)行相同進(jìn)給速度、不同的切削速度和轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，用控制變量法對(duì)加工過(guò)程中的軸向抗力和溫度進(jìn)行分析。

表1 不同切削參數(shù)的試驗(yàn)

A組參數(shù)（最大數(shù)值）和E組參數(shù)（最小數(shù)值）模擬出前刀面上的溫度分布云圖對(duì)比如圖16所示。傳統(tǒng)加工經(jīng)驗(yàn)往往認(rèn)為，鉆削過(guò)程中溫度最高部位應(yīng)該是在鉆頭的外緣部分。因?yàn)橄嗤霓D(zhuǎn)速下鉆頭的外緣部分線速度最高，而切削速度又是切削三要素中對(duì)溫度影響最大的因素。但在溫度分布云圖上觀察到，鉆削溫度最高的點(diǎn)是在離開(kāi)鉆頭外緣部一定距離的部分（見(jiàn)圖16中發(fā)紅的部位），這是由于鉆頭的外緣部和孔壁接觸散熱較快。

圖16 A、E組參數(shù)模擬前刀面溫度分布云圖

鉆頭橫刃部分溫度相差不大，這是由于橫刃部分回轉(zhuǎn)直徑很小，不同轉(zhuǎn)速下橫刃部分切削速度幾乎為零，相差不大，因此溫度變化也不大。

A組參數(shù)和E組參數(shù)軸向抗力的變化曲線如圖17所示，其中有些過(guò)大值是由于網(wǎng)格重新劃分時(shí)的突變，可以忽略不計(jì)。隨著鉆尖的逐漸切入，鉆頭軸向抗力逐漸趨于平穩(wěn)。A組參數(shù)至E組參數(shù)的平均軸向抗力逐漸增大。限制切削力的因素有設(shè)備剛性、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、主軸的功率和刀具的強(qiáng)度等，考慮到不希望試驗(yàn)參數(shù)的軸向抗力大于原始參數(shù)，并且希望切削溫度最低這兩方面因素，D組參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)際試切，并跟蹤鉆頭后刀面的磨損情況（見(jiàn)圖18），實(shí)際磨損與仿真的參數(shù)接近，證明了仿真系統(tǒng)的可靠性。

圖17 A、E組參數(shù)軸向抗力的變化曲線

圖18 深孔鉆后刀面實(shí)際磨損情況

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中使用的整體硬質(zhì)合金深孔鉆建模，并用有限元分析軟件對(duì)不同組的切削參數(shù)模擬分析，并結(jié)合傳統(tǒng)金屬切削經(jīng)驗(yàn)，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化刀具切削參數(shù)提供了一定的參考依據(jù)。