超聲振動輔助鉆削P20軸向力與入口邊緣質(zhì)量性能研究

吳志強(qiáng),張衛(wèi)鋒,張燦祥

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

P20模具鋼具有硬度均勻、拋光性能與光蝕刻花性能好的優(yōu)異特點(diǎn)[1-2],因而能在熱塑模、拉伸模、吹塑模等模具制造領(lǐng)域廣泛使用[3-4]。在針對P20的孔加工中,使用傳統(tǒng)鉆削方法,會出現(xiàn)切削力較大、入孔邊緣質(zhì)量較差的問題,限制了P20 的工程應(yīng)用[5]。針對這些問題,本研究采用超聲振動輔助鉆削對P20進(jìn)行孔加工,它是在傳統(tǒng)鉆削基礎(chǔ)上對刀具施加超聲頻振動,刀具運(yùn)動形式變成高速旋轉(zhuǎn)、軸向高頻振動與進(jìn)給的合成[6-7],改變了鉆削機(jī)理[8],是一種全新的工藝特性和加工特征[9]。

本研究使用Deform-3D 對超聲振動輔助鉆削P20的過程進(jìn)行仿真,設(shè)計對比、單因素以及不同冷卻劑的仿真實(shí)驗(yàn),分析軸向力的變化;通過搭建50 k Hz的超聲振動輔助鉆削實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn),并通過仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證的形式研究超聲振動輔助鉆削P20的工藝特性。

1 有限元模型的建立

Deform-3D 是一個強(qiáng)大的過程模擬系統(tǒng)[10],適于模擬復(fù)雜的鉆削過程,能有效預(yù)測材料變形過程中發(fā)生的各種變化,且不需成本[11]。仿真過程包括前處理,模擬計算和后處理[12]。

1.1 建立幾何模型和材料屬性定義

使用Deform-3D 自帶的工具模塊創(chuàng)建麻花鉆和工件的幾何模型[13]。把鉆刀定義成剛性體,工件是塑性體。定義麻花鉆刀具為硬質(zhì)合金,工件材料為P20,本構(gòu)關(guān)系為J-C模型[14],表達(dá)式如下。

1.2 劃分網(wǎng)格,定義接觸和施加運(yùn)動

在Deform-3D 中,對工件用絕對網(wǎng)格劃分,而對麻花鉆刀具則用相對網(wǎng)格劃分。工件和刀具的網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

刀具定義成主要對象,工件為從屬對象。設(shè)置剪切摩擦類型,摩擦系數(shù)設(shè)成0.6。建立一個工件之間的自接觸,以防止切屑接觸到工件。

固定工件側(cè)面,設(shè)置刀具進(jìn)給速度的方向?yàn)閆軸負(fù)向,并繞Z軸旋轉(zhuǎn)。刀具振動進(jìn)給的位移和速度是一個周期性的函數(shù)[15-16],公式為

式(2)中:Z為位移;fz為進(jìn)給量;n為轉(zhuǎn)速;t為時間;A為振幅;f為頻率。

對時間t求導(dǎo),得刀具速度公式:

刀具向Z軸負(fù)向進(jìn)給的同時,沿Z軸做正弦型函數(shù)的振動。

在MATLAB 中把時間設(shè)成t=0.02 s,每隔0.000 002 s計算出1個函數(shù)值,MATLAB 根據(jù)刀具速度公式計算出超聲振動輔助鉆削0.02 s時間段內(nèi)各個時間點(diǎn)的進(jìn)給速度,所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Deform-3D 中,完成對刀具進(jìn)給速度的施加,以模擬刀具的超聲振動進(jìn)給過程。

2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計與分析

2.1 兩種鉆削加工的對比仿真實(shí)驗(yàn)

保持主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度相同,設(shè)計普通鉆削與超聲振動輔助鉆削的對比實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 兩種鉆削加工方式的對比仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Comparison simulation experiment parameters of two kinds of drilling processing methods

圖2 所示為兩種鉆削方式下軸向力的變化趨勢。從圖2中可看出,隨著刀具切削深度的增加,軸向力不斷增大,在某些時間點(diǎn),軸向力發(fā)生突變,這是因切屑的斷裂或者是工件網(wǎng)格產(chǎn)生了畸變,導(dǎo)致軟件進(jìn)行網(wǎng)格重劃分[17]。

圖2 兩種鉆削加工方式下軸向力的變化趨勢Fig. 2 Variation trend of axial force of two kinds of drilling methods

對比兩種鉆削方式下軸向力的變化趨勢,可以看出,普通鉆削下軸向力變化趨勢是連續(xù)不斷的,這是因?yàn)槠胀ㄣ@削下刀具與工件是連續(xù)接觸、擠壓以及切削[18];超聲振動輔助鉆削下軸向力為波動式變化,當(dāng)?shù)毒呓佑|工件時,軸向力上升并達(dá)到一個局部峰值,當(dāng)?shù)毒吲c工件分離時,軸向力下降,最后趨近于零。這是因?yàn)槌曊駝虞o助鉆削不再是連續(xù)沖擊接觸,而是周期性的,刀具與工件處于周期性接觸和分離的狀態(tài)[18],使得軸向力曲線是周期性變化的。

從Deform-3D 中導(dǎo)出數(shù)據(jù),求出平均值,并繪制成柱狀圖,如圖3所示。

圖3 兩種鉆削加工方式下平均軸向力柱狀圖Fig. 3 Bar chart of average axial force under two kinds of drilling processing methods

從圖3可以看出,與普通鉆削加工相比,超聲振動輔助鉆削的平均軸向力下降了46%。因此,超聲振動輔助鉆削在減小軸向力方面起到較好效果[19]。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速對軸向力影響的仿真實(shí)驗(yàn)

選擇相同的進(jìn)給速度和振幅,進(jìn)給速度選擇0.05 mm·r-1,振幅選擇4μm,不同主軸轉(zhuǎn)速。

平均軸向力的模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出,軸向力的變化趨勢隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小,但主軸轉(zhuǎn)速對軸向力的影響不明顯,變化微小。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的平均軸向力柱狀圖Fig. 4 Bar chart of average axial force at different rotational speeds

2.3 進(jìn)給速度對軸向力影響的仿真實(shí)驗(yàn)

選擇相同的主軸轉(zhuǎn)速和振幅,主軸轉(zhuǎn)速選擇4 800 r·min-1,振幅選擇4μm,不同進(jìn)給速度下平均軸向力的模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同進(jìn)給速度下的平均軸向力柱狀圖Fig. 5 Bar chart of average axial force at different feed speeds

從圖5中可看出,隨著進(jìn)給速度的增大軸向力也增大,且軸向力受進(jìn)給速度的影響較大。

2.4 不同冷卻劑對軸向力影響的仿真實(shí)驗(yàn)

選擇空氣、油基和水3 種冷卻劑進(jìn)行仿真,在Deform-3D 中輸入不同的熱對流系數(shù)即可模擬不同冷卻劑對軸向力的影響[20]。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 不同冷卻劑下的仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Simulation experimental parameters under different coolants

仿真結(jié)果的平均軸向力如圖6所示。從圖6可看出,空氣冷卻條件下的軸向力最大,油基冷卻條件下的軸向力最小,其原因是油基冷卻劑比空氣和水的潤滑效果好,在加工中通入油基具有較好的潤滑作用,減小了刀具與工件之間的接觸受力,從而減小軸向力。

圖6 不同冷卻劑下的平均軸向力柱狀圖Fig. 6 Bar chart of average axial force under different coolants

3 鉆削P20的軸向力實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺搭建

實(shí)驗(yàn)臺包括立式加工中心、安裝在上面的超聲波輔助加工裝置Micro Man-S4和工裝測力系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺的主要部分如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺的主要部分Fig. 7 Main parts of the experimental platform

3.2 兩種鉆削加工的對比實(shí)驗(yàn)

保持相同加工參數(shù)和加工條件,轉(zhuǎn)速為4 800 r·min-1,進(jìn)給速度是20 mm·min-1,通過打開及關(guān)閉超聲控制器,以此來實(shí)現(xiàn)對P20的超聲振動輔助鉆削和普通鉆削,使用工裝測力系統(tǒng)測量軸向力。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 兩種鉆削加工方式實(shí)驗(yàn)參數(shù)對比Table 3 Comparative experimental parameters of two kinds of drilling processing methods

將測得的軸向力的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,使用Origin軟件繪制出圖8所示的變化曲線。由圖8可看出,超聲振動輔助鉆削下的軸向力的波動程度大于普通鉆削,這一結(jié)論與仿真所得結(jié)論是一致的。

圖8 兩種鉆削加工實(shí)驗(yàn)下軸向力的變化曲線Fig. 8 Variation curves of axial force of two kinds of drilling experiments

兩種鉆削加工方式下軸向力的平均值見圖9。

圖9 兩種鉆削加工實(shí)驗(yàn)下的平均軸向力Fig. 9 Average axial force under two kinds of drilling experiments

從圖9可知,超聲振動輔助鉆削的平均軸向力比普通鉆削減少了30%。實(shí)驗(yàn)和仿真的變化趨勢是一致的,但仿真結(jié)果的平均軸向力減少46%,與實(shí)驗(yàn)有一定誤差,其原因是:仿真條件較理想,實(shí)驗(yàn)受外界環(huán)境影響;工裝中的零部件在鉆削過程中有較大振動,與主軸的振幅有一定程度抵消;測力傳感器信號存在測量誤差。

根據(jù)前人理論與本實(shí)驗(yàn)研究對超聲加工減小軸向力的原因進(jìn)行分析。

1) 從平均未變形切屑厚度上分析。平均未變形切屑厚度have的公式是:

其中fv是進(jìn)給速度,dR是切削徑向?qū)挾?θ是接觸作用區(qū)掃描角,N是有效齒數(shù),n是主軸轉(zhuǎn)速。超聲加工下have的公式變成:

式(5)～(6)中Vvmax是刀具振動速度的最大值,Vc是普通鉆削時的切削速度,實(shí)際切削速度是兩者的疊加。從式(4)～(7)中可知在超聲加工下引入一個正弦值使平均未變形切屑厚度數(shù)值減小,進(jìn)而使軸向力減小。

2)超聲加工中,刀具高頻振動,在碰觸工件瞬間,獲得最大沖擊加速度amax和最大沖擊力F:

在巨大的沖擊力下工件材料瞬間變形破壞而變成切屑。超聲加工可使工件弱化,使材料抵抗破壞的阻力減小,進(jìn)而降低切削力。

3) 普通切削下刀具是正交切削,加上超聲后刀具變成斜切的切削形式并出現(xiàn)一個傾角,傾角越大,軸向力減少更明顯。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速對軸向力影響的實(shí)驗(yàn)

選擇相同的進(jìn)給速度和振幅,進(jìn)給速度選擇20 mm·min-1,振幅選擇4μm,不同主軸轉(zhuǎn)速下軸向力變化曲線圖如圖10所示。對每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求平均值如圖11所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下軸向力的變化Fig. 10 Changes of axial force under different rotational speeds

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的平均軸向力柱狀圖Fig. 11 Bar chart of average axial force under different rotational speeds

從圖10中可看出,隨著轉(zhuǎn)速的增加,軸向力有下降趨勢,與仿真的變化趨勢相同。從圖11中可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速從2 400 r·min-1增加至3 600 r·min-1時,軸向力的下降幅度最大,繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速,軸向力變化幅度逐漸減小。分析可知,轉(zhuǎn)速增高使切削速度變大,對抗材料斷裂的力相應(yīng)變大,繼續(xù)加大轉(zhuǎn)速,就會大于其斷裂強(qiáng)度,工件的切削未變形面積減少,進(jìn)而使切削力下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值后,切削變形面積變大的幅度減小了,使切削力緩慢下降。

3.4 進(jìn)給速度對軸向力影響的實(shí)驗(yàn)

保持主軸轉(zhuǎn)速和振幅不變,主軸轉(zhuǎn)速為4 800 r·min-1,振幅為4μm,不同進(jìn)給速度下軸向力變化曲線圖如圖12所示。對每組實(shí)驗(yàn)求平均值如圖13所示。

圖12 不同進(jìn)給速度下軸向力的變化Fig. 12 Changes of axial force under different feed speeds

圖13 不同進(jìn)給速度下的平均軸向力柱狀圖Fig. 13 Bar chart of average axial force under different feed speeds

從圖13看出,隨著進(jìn)給速度增加,軸向力大幅度增加,與仿真的變化趨勢相同。相較于主軸轉(zhuǎn)速,進(jìn)給速度對軸向力的影響程度更大。分析原因可知:進(jìn)給速度增加會使刀具的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增加,即刀具與工件的接觸面積變大,切削未變形面積變大,使得軸向力急劇增大。

3.5 不同冷卻劑對軸向力影響的實(shí)驗(yàn)

機(jī)械加工中,施加冷卻劑是較為重要的,它可以起到冷卻,潤滑,清洗等作用[21]。實(shí)驗(yàn)選用普通鉆削加工,研究冷卻劑對軸向力的影響。主軸轉(zhuǎn)速為4 800 r·min-1,進(jìn)給速度為20 mm·min-1,在室溫下不同冷卻劑對軸向力的影響見圖14。對各組實(shí)驗(yàn)求平均值如圖15所示。

圖14 不同冷卻劑類型下軸向力的變化Fig. 14 Axial force under different coolant type changes

圖15 不同冷卻劑類型下的平均軸向力柱狀圖Fig. 15 Bar chart of mean axial force for different coolant types

從圖15中可以看出,使用乳化液冷卻時軸向力整體趨勢最小,空氣冷卻最大,水冷時次之。乳化液中含有基礎(chǔ)油,所以該實(shí)驗(yàn)與仿真中的參數(shù)基本相同,實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果相同。根據(jù)兩者的結(jié)論可知,在實(shí)際的孔加工中,應(yīng)該首先選用油基類型冷卻劑。良好的冷卻條件可減少刀具的受力,獲得良好的孔加工質(zhì)量。

4 入孔形貌

在孔加工中,孔的入口邊緣經(jīng)常出現(xiàn)破碎或毛刺的情況,影響孔的質(zhì)量[22]。本節(jié)基于上述實(shí)驗(yàn),通過能放大50倍的基恩士(KEYENCE)形狀測量激光顯微系統(tǒng),觀察入孔邊緣質(zhì)量。

4.1 兩種加工方式對入孔邊緣質(zhì)量的影響

普通鉆削和超聲振動輔助鉆削,兩種加工方式下的入孔形貌如圖16所示。從圖16中可以發(fā)現(xiàn),超聲振動輔助鉆削的孔相比于普通鉆削,邊緣質(zhì)量得到改善。這是因?yàn)榈毒咦龀曨l振動,具有較大的加速度,每次進(jìn)給的沖擊力較大,材料的未變形面積減少,使得入孔邊緣的裂紋減小。

圖16 兩種鉆削加工方式下的入孔邊緣形貌Fig. 16 Inlet edge morphologies under two kinds of drilling

4.2 主軸轉(zhuǎn)速對入孔邊緣質(zhì)量的影響

圖17所示為4組轉(zhuǎn)速下的入孔形貌特征。從圖17中可以看出,轉(zhuǎn)速是2 400 r·min-1時,孔的邊緣質(zhì)量較差。其原因是刀具軸向進(jìn)給的壓力以及超聲振動的沖擊力,在鉆削過程中所占比例大,刀具側(cè)刃的切削作用不明顯,使得入孔邊緣破碎情況嚴(yán)重。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至4 800 r·min-1后,高速旋轉(zhuǎn)的側(cè)刃切削能力變強(qiáng),邊緣破碎情況減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至6 000 r·min-1,邊緣質(zhì)量又變差,邊緣破碎尺寸變大,原因是加工中心有一定轉(zhuǎn)速范圍,轉(zhuǎn)速接近極限轉(zhuǎn)速時,會使主軸回轉(zhuǎn)精度下降,導(dǎo)致入孔破碎尺寸變大。

圖17 不同轉(zhuǎn)速下入孔邊緣形貌特征Fig. 17 Morphological characteristics of inlet hole edges under different rotational speeds

4.3 進(jìn)給速度對入孔邊緣質(zhì)量的影響

圖18所示為4組進(jìn)給速度下的入孔形貌特征。

圖18 不同進(jìn)給速度下入孔邊緣形貌特征Fig. 18 Morphologic characteristics of hole edges under different feed rates

從圖18中可以看出,隨著進(jìn)給速度的增加,孔的入口邊緣破碎范圍增加,進(jìn)給速度為80 mm·min-1時,孔邊緣呈現(xiàn)出不連續(xù)形態(tài)。其原因是進(jìn)給速度的增加使刀具與工件的接觸面積變大,材料的去除包括超聲振動對工件的沖擊和刀具的切削刃切削材料。超聲振動對工件的沖擊產(chǎn)生了大量微小裂紋,切削刃負(fù)責(zé)切除,使切屑掉落。當(dāng)進(jìn)給速度增大的時候,會使刀具向下的位移增大,壓力超過P20能承受的最大壓力時,微小裂紋就會變大,直到壓潰,出現(xiàn)入孔邊緣質(zhì)量差的現(xiàn)象。

4.4 冷卻劑類型對入孔邊緣質(zhì)量的影響

選擇空氣,水和乳化液3種冷卻方式研究入孔邊緣質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)得到的入孔形貌如圖19所示。從圖19中可知,在空氣冷卻的情況下入孔邊緣質(zhì)量較差,水冷次之,而乳化液冷卻的條件下入口邊緣質(zhì)量最好。因此,實(shí)際加工中應(yīng)首選乳化液冷卻。

圖19 不同冷卻劑下的入孔邊緣形貌特征Fig. 19 Morphology characteristics of inlet edge under different coolants

5 結(jié)論

通過仿真和實(shí)驗(yàn),研究了超聲振動輔助鉆削P20的工藝特性,結(jié)論如下:

1)相比普通鉆削,超聲振動輔助鉆削可有效減小軸向力,而且可以得到較好的入孔邊緣質(zhì)量。綜合比較,超聲振動輔助鉆削比普通鉆削更優(yōu)。

2)通過單因素實(shí)驗(yàn)得出,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,軸向力呈現(xiàn)出下降趨勢,而隨著進(jìn)給速度的增加,軸向力呈現(xiàn)上升的趨勢;入口邊緣質(zhì)量隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,出現(xiàn)先變好后變差的情況,而隨著進(jìn)給速度的增加出現(xiàn)變差的趨勢。

3)從不同冷卻劑的實(shí)驗(yàn)中得出,與空氣和水冷卻相比,乳化液冷卻條件下,可以獲得更小的軸向力,能改善入孔邊緣質(zhì)量。