藥柱鉆削過程中的溫度仿真分析

李冬陽，徐志剛，白鑫林，王軍義

（1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所智能產(chǎn)線與系統(tǒng)研究室，遼寧沈陽 110179；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽 110819）

1 引言

藥柱是固體火箭發(fā)動機(jī)的重要組成成分，通常情況下火箭燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的壓強(qiáng)比較低，固體推進(jìn)劑在貧氧狀態(tài)下燃燒，燃速偏低，不易滿足使用性能要求，需要采用嵌銀絲的方法[1]。為了增大燃面，很大程度上縮短燃面爬升坡段，要求在藥柱端面上沿銀絲方向鉆盲孔[2]。加工過程中的最高溫度是影響加工效率，保證生產(chǎn)安全的關(guān)鍵因素，而鉆削溫度主要受主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和環(huán)境溫度等因素影響。研究藥柱鉆削過程中的參數(shù)對溫度的影響規(guī)律和材料特性的溫升規(guī)律對指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要的意義。

很多學(xué)者針對不同材料的鉆削性能進(jìn)行研究。其中，文獻(xiàn)[3]采用涂層和無涂層的硬質(zhì)合金刀具對TC4 進(jìn)行了鉆削研究。文獻(xiàn)[4]研究了可以通過不斷改變刀具幾何參數(shù)和切削用量，有效地改變切屑形態(tài)及切屑幾何參數(shù)。文獻(xiàn)[5]對銑削7075鋁合金時加工條件進(jìn)一步分析，結(jié)論得出在不影響生產(chǎn)的條件下，應(yīng)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速，較低的進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度，銑削溫度隨每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和銑削寬度升高而變大，對銑削溫度的影響比較小的是銑削深度。文獻(xiàn)[6]提出一種基于薄膜熱電偶的PCB各板層原位鉆削溫度測量方法，而且每層測量得到的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用ABAQUS 軟件研究TC4的鉆削過程，并開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明較高的主軸轉(zhuǎn)速可以提高鉆孔質(zhì)量。

對于已有的研究現(xiàn)狀，對非金屬材料的鉆削規(guī)律研究是非常少見的。文章中研究的藥柱是裝藥成形的，對溫度比較敏感。目前測量溫度的方法有紅外感應(yīng)測溫和以靠近鉆頭處的溫度來代替要測的實(shí)際溫度兩種，在一定范圍內(nèi)都不能提供可靠的數(shù)據(jù)[8]。熱電偶測溫法，可以間接測量加工過程中的溫度，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也滿足誤差要求，因此文章中采用該方法。在實(shí)際加工過程中，最高溫度與環(huán)境溫度相差不大，因此將環(huán)境溫度作為重要考慮因素之一。利用DEFORM軟件對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和環(huán)境溫度對最高溫度的影響規(guī)律，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可行性，然后總結(jié)出合適的加工參數(shù)。

2 仿真模型建立

鉆削過程是典型的非線性分析計(jì)算過程，而DEFORM 功能強(qiáng)大的模擬引擎具有處理材料成形過程中多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性問題[9]。該軟件對于智能劃分網(wǎng)格、材料的重新定義和加工的相對位置改變的功能都是可以實(shí)現(xiàn)的。

2.1 鉆削模型

在藥柱鉆削加工時，需要沿藥柱端面周圍鉆六個孔[10]。DE‐FORM軟件中默認(rèn)的為中心位置，需要改變藥柱與鉆頭的相對位置。為了簡化計(jì)算，采用藥柱結(jié)構(gòu)的1/6扇形區(qū)域進(jìn)行分析。首先通過SOILDWORKS 軟件創(chuàng)建直徑6mm 的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆和直徑64mm工件模型，然后將二者導(dǎo)入DEFORMR軟件。

在前處理界面設(shè)定刀具和工件材料屬性，刀具網(wǎng)格數(shù)量為30000，工件網(wǎng)格劃分方式為相對劃分，定義進(jìn)給尺寸的百分比為30。鉆頭和藥柱網(wǎng)格劃分模型，如圖1所示。

圖1 鉆頭和藥柱網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Bit and Cylinder Grid Division Model

2.2 材料屬性

其中麻花鉆的材料為不銹鋼，藥柱的材料為線粘彈性材料。仿真模型的主要參數(shù)，如表1所示。鉆削過程和切削相比十分復(fù)雜，工件材料的具有的物理特性和溫度的變化情況關(guān)聯(lián)較大，因此需要選用合適的本構(gòu)方程。選用適合于鉆削，并且能反應(yīng)材料溫升特性的Johnson?Cook模型。表達(dá)式如下：

表1 材料模型參數(shù)Tab.1 The Parameters Used in the Material Model

式中：ε—應(yīng)變；ε0—參考應(yīng)變；Tr—室溫；Tm—熔點(diǎn)；A、B、C、m、n—與材料有關(guān)的常數(shù)，A=37，B=82，C=0.02，m=0.53，n=0.06。

2.3 模型邊界條件及初始條件的定義

在藥柱鉆削仿真時，采用的裝夾方案為：藥柱由卡盤固定，鉆頭旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。藥柱固定，而麻花鉆限制四個自由度。依據(jù)實(shí)際加工地的環(huán)境溫度，設(shè)定鉆頭和藥柱的初始溫度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的切鉆一體加工單元由課題組自主設(shè)計(jì)，而且已經(jīng)安裝調(diào)試完成。該加工單元主要由夾緊機(jī)構(gòu)，切削進(jìn)給系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)組成。其中測溫系統(tǒng)需要的儀器如熱電偶、溫度控制儀、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)軟件等。不僅實(shí)時顯示采集到的數(shù)據(jù)，還可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X并保存。加工單元和實(shí)物效果圖，如圖2所示。

圖2 切鉆一體加工單元和實(shí)物圖Fig.2 Integrated Drilling Unit and Physical Drawing

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中選擇進(jìn)給速度為1.7mm/s，環(huán)境溫度為20℃時，五種不同轉(zhuǎn)速條件下對相同規(guī)格的藥柱進(jìn)行加工測量。鉆削過程中選擇完成一個藥柱鉆削的六次最高溫度的平均值作為不同轉(zhuǎn)速條件下的最高溫度值，以防止每次加工余熱對參數(shù)的影響。

3.2 結(jié)果對比

給出五組對比數(shù)據(jù)中的一組仿真結(jié)果，在進(jìn)給速度為1.7mm/s，環(huán)境溫度為20℃，轉(zhuǎn)速為130r/min時，仿真結(jié)果，如表2、圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果圖Fig.3 Simulation Results

由表2可知，在進(jìn)給速度為1.7mm/s，環(huán)境溫度為20℃時，不同轉(zhuǎn)速條件下，仿真和實(shí)驗(yàn)得到的最高溫度對比情況。得到的兩個結(jié)果十分相近，但是仿真結(jié)果都要比實(shí)際結(jié)果大，范圍在（0～0.5）℃之間。

表2 測量結(jié)果和仿真結(jié)果對比Tab.2 Measurement Results and Simulation Results

這是由于實(shí)際測量時的最高溫度受多種不確定因素影響和測量存在一定的誤差而造成的結(jié)果。因此，模擬仿真的結(jié)果是可靠的。

4 仿真結(jié)果分析

在藥柱鉆孔仿真分析時，根據(jù)已有的現(xiàn)場實(shí)際加工情況，選擇合適的加工參數(shù)。為了保證藥柱加工的安全性，溫度不能高于45℃，還要考慮經(jīng)濟(jì)效率等因素，選定轉(zhuǎn)速范圍為（100～300）r/min，進(jìn)給速度范圍為（0～3）mm/s，環(huán)境溫度范圍（10～40）℃。本研究中有三個自變量，為了清晰的表示各個變量之間的線性關(guān)系，選定一個變量找出另外兩個變量之間的影響關(guān)系，鉆削參數(shù)組合表選取，如表3所示。

表3 鉆削參數(shù)列表Tab.3 Drilling Parameters List

4.1 進(jìn)給速度對最高溫度的影響

選定環(huán)境溫度為20℃，隨著轉(zhuǎn)速的改變而引起的最高溫度的線性變化情況，如圖4所示。由圖中關(guān)系可以得出，在同一轉(zhuǎn)速時，曲線變化不盡相同，但都是有明顯的上升趨勢。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為100r/min時，起點(diǎn)溫度較低，隨著進(jìn)給速度的不斷增加其最高溫度上升最快。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為160r/min時，在一定的進(jìn)給速度之后，相對于其他曲線溫度都是較低的。

圖4 進(jìn)給速度和最高溫度的關(guān)系Fig.4 Relation Between Feed Velocity and Maximum Temperature

這是由于在藥柱切削加工過程中，溫度升高主要由切削變形而產(chǎn)生的變形熱和切削與刀面摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱造成的。當(dāng)轉(zhuǎn)速一致時，單位時間內(nèi)的切削量越大，引起變形熱和摩擦熱同事增大，從而最高溫度曲線呈現(xiàn)整體上升的趨勢。在轉(zhuǎn)速較低時，線性粘彈性材料的塑形變現(xiàn)能力較強(qiáng)，可能會引起切削不充分，而造成溫度的上升速度明顯加快，在實(shí)際生產(chǎn)加工中應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。

4.2 進(jìn)給量對最高溫度的影響

選定環(huán)境溫度為20℃，最高溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況，如圖5所示?？梢悦黠@看出，在相同的進(jìn)給速度條件下，主軸轉(zhuǎn)速以160r/min為界，最高溫度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。而且上升和下降的確實(shí)略有不同，在最高溫度沒有達(dá)到40℃之前，上升和下降的趨勢相同，在最高溫度達(dá)到40℃之后，溫度上升的趨勢明顯變緩。根據(jù)鉆削加工的基本原理，在進(jìn)給速度保持不變時，主軸轉(zhuǎn)速越高，鉆頭每轉(zhuǎn)切削量相對減少，造成變形熱隨之增加，而摩擦熱相應(yīng)的減少。在主軸轉(zhuǎn)速較低時，摩擦熱對溫度的影響較大，最高溫度有一個整體下降的趨勢，進(jìn)給量不同下降的趨勢也不同。在轉(zhuǎn)速達(dá)到160r/mm時，變形熱對溫度的影響更大，最高溫度有升高的趨勢。由于線粘彈性材料的溫升特性，在大于40℃之后溫度上升受材料特性影響，最高溫度上升變緩。

圖5 轉(zhuǎn)速和最高溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship Between Rotational Speed and Maximum Temperature

4.3 環(huán)境溫度對最高溫度的影響

在實(shí)際加工地的在藥柱鉆削加工過程中，最高溫度與環(huán)境溫度相差不大，而且環(huán)境溫度有一個較大的變化范圍，因此考慮環(huán)境因素是十分關(guān)鍵的。得出與環(huán)境溫度相近，即經(jīng)濟(jì)成本較低，且滿足加工要求的合適環(huán)境溫度是十分有價值的。選定進(jìn)給速度為1.7mm/s，最高溫度隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律，如圖6所示?？梢缘贸?，在同一主軸轉(zhuǎn)速條件下，最高溫度隨環(huán)境溫度的增加而不斷升高。環(huán)境溫度達(dá)到20℃左右時，溫升曲線上升相對緩慢。隨著環(huán)境溫度的不斷增加，藥柱開始鉆削時的起始溫度也不斷增加。在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度相同時，藥柱在不同初始溫度下進(jìn)行鉆削加工，由于溫度改變，而產(chǎn)生的應(yīng)力變形不一樣，但是該影響小于物理因素的直接增加。在20℃時溫度改變而產(chǎn)生的應(yīng)力相對較小，因此溫度較低。

圖6 環(huán)境溫度和最高溫度的關(guān)系（1.7mm/s）Fig.6 Relationship Between Ambient Temperature and Maximum Temperature

從圖7可以看出，在主軸轉(zhuǎn)速為160r/min，不同進(jìn)給速度條件下最高溫度隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。有圖可以看出，在同一進(jìn)給速度條件下，最高溫度隨環(huán)境溫度的增加而不斷升高。環(huán)境溫度為20℃左右時，進(jìn)給速度從（1.2～1.7）mm/s，溫度增加都有變緩的趨勢，在（2.0～2.3）mm/s時，不太明顯。

圖7 環(huán)境溫度和最高溫度的關(guān)系（160r/min）Fig.7 Relationship Between Ambient Temperature and Maximum Temperature

這是由于在進(jìn)給速度較低時，環(huán)境溫度改變引起的藥柱應(yīng)力改變對溫升影響較大，進(jìn)給速度升高到2.0mm/s時，該影響較小，不足以改變整體趨勢。理想狀態(tài)下，環(huán)境溫度越小越好，但是需要更大的經(jīng)濟(jì)支出。

5 結(jié)語

利用DEFORM 有限元軟件建立藥柱鉆削的三維有限元模型，得到每個影響因素對最高溫度影響的線性分布情況，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（1）粘彈性材料鉆削與一般金屬鉆削具有相似之處，但是線粘彈性材料具有自身的特點(diǎn)，而造成切削熱和摩擦熱的影響不同。

（2）研究發(fā)現(xiàn)藥柱的粘彈性材料在40℃左右時，溫度上升明顯變緩，是與材料的溫升特性相符合的。為其他非金屬材料的鉆加工提供一定的參考價值。

（3）通過仿真結(jié)果分析可以得到，在環(huán)境溫度為20℃，轉(zhuǎn)速160r/min，進(jìn)給速度為1.7mm/s時，最高溫度變化相對穩(wěn)定，且處于較安全溫度控制范圍。