陽國(guó)萬 溫子進(jìn) 陳永鵬
(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074)
車齒工藝是一種加工效率高、加工精度高,適用于傳統(tǒng)齒輪加工方法難以加工的特殊結(jié)構(gòu)(如非貫通內(nèi)斜齒輪)的新型齒輪制造工藝,最初由于落后的技術(shù)條件而未能在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,但如今隨著一些關(guān)鍵技術(shù)——機(jī)床剛度、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、材料涂層技術(shù)等發(fā)展,車齒工藝所展現(xiàn)出的巨大潛力引起了學(xué)界內(nèi)更多的關(guān)注。
在齒輪切削加工過程中,所產(chǎn)生的切削力是齒輪制造工藝最基本的物理參數(shù),掌握切削力的變化規(guī)律是研究切削機(jī)理、研發(fā)新型刀具、提高加工精度的關(guān)鍵與前提,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此展開了廣泛研究。Tang X K 等[1]針對(duì)銑削所產(chǎn)生的切削力,提出了三維未變形切屑厚度的計(jì)算方法,得到了穿透曲線的計(jì)算公式以確定加工區(qū)域,通過矢量分析法確定了工作法前角與工作刃傾角,最后建立了切削力力學(xué)模型以預(yù)測(cè)銑削力。Jiang C 等[2]認(rèn)為切削力是影響刀具壽命和機(jī)床加工性能的重要因素,根據(jù)展成法加工準(zhǔn)雙曲面齒輪的特點(diǎn)與實(shí)際工況,提出了一種計(jì)算多齒切向銑削力的新方法,并根據(jù)刀具與工件之間的運(yùn)動(dòng)和位置關(guān)系,計(jì)算出了動(dòng)態(tài)切向銑削力,最后通過實(shí)例計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。Zheng F Y 等[3]為了解決面銑削加工螺旋錐齒輪時(shí)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)所導(dǎo)致的預(yù)測(cè)切削力的難題,提出了一種高效、準(zhǔn)確的面銑螺旋錐齒輪切削力解析預(yù)測(cè)模型,通過有限元模擬和切削力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性,切削力誤差在10%以內(nèi)。Chara E等[4]開發(fā)了一種實(shí)現(xiàn)面銑削和面滾削的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算算法,可以計(jì)算切削過程中的切削力,進(jìn)而研究了精加工余量、進(jìn)給速率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)未變形切屑幾何形狀與切削力的影響。蔡安江等[5]基于金屬切削力理論公式剃齒切削力模型,分析了切削參數(shù)對(duì)剃齒切削力的影響規(guī)律,運(yùn)用有限元方法與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。Huang K F等[6]主要研究了準(zhǔn)雙曲面齒輪面滾齒切削力預(yù)測(cè)的向量化封閉解,建立了未變形切削切屑幾何形狀的矢量化模型,將該模型與斜角切削模型結(jié)合首次提出了準(zhǔn)雙曲面齒輪面滾齒切削力預(yù)測(cè)的封閉解,該模型與半解析法相比具有更高的精度與效率。Jin Y Q等[7]依據(jù)實(shí)際工況建立了多齒切削過程切削力的有限元數(shù)值分析模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了瞬時(shí)切削力的時(shí)變特性,探討了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律,最后結(jié)合切削試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)穩(wěn)態(tài)切削力進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了模型的可靠性。Onozuka H 等[8]以提高車齒工藝加工精度和刀具壽命為目標(biāo),建立了切削力的仿真模型,利用可以代表工件材料切削力特征的切削方向、未變形切屑厚度、有效前角和特定切削力系數(shù)來表示切削力,并采用優(yōu)化方法減小實(shí)測(cè)切削力和模擬切削力的誤差,二者之間具有較好的吻合性,誤差為15%。McCloskey P 等[9]介紹了一種新型模型,用于預(yù)測(cè)高速、多功能齒輪切削過程中未變形切屑的幾何形狀與切削力,計(jì)算了離散化切削刃的切削速度,確定了有效前角與斜角,最后利用DMG 銑床進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Li J 等[10]提出了一種基于能量法的車齒工藝切削力計(jì)算方法,該方法將刀齒上的切削刃分為切入刃、頂刃和切出刃3 個(gè)部分,將切削刃3 個(gè)部分上每一微段的切削力矢量相加,得到單齒上的切削力,這樣便得到由參與切削的刀齒上切削力矢量和的完整切削力,最后通過有限元方法驗(yàn)證了該方法的有效性。Svahn M 等[11]用力學(xué)方法建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型以對(duì)齒輪成形銑削過程中的切削力進(jìn)行預(yù)測(cè),該模型認(rèn)為在切削過程中刀具上的載荷都是通過沿切削刃的力之和求解的,最后用轉(zhuǎn)位銑刀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該模型能較好地預(yù)測(cè)銑削力。
早期關(guān)于齒輪制造工藝切削力的研究多集中于傳統(tǒng)齒輪制造工藝,雖然近年來逐漸出現(xiàn)了一些關(guān)于車齒工藝切削力的探究,但仍然不全面且不深入,對(duì)車齒工藝切削力的預(yù)測(cè)與優(yōu)化是難題之一。針對(duì)上述問題,本文建立了工件齒輪和車齒刀的三維模型,基于Deform 有限元仿真得到了單刀齒切削過程中切削力的響應(yīng)數(shù)據(jù);建立了多元參數(shù)作用下主切削力預(yù)測(cè)模型,分析了切削速度、進(jìn)給量以及軸交角三項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律;提出了以主切削力為約束條件、以最高加工效率為目標(biāo)的工藝參數(shù)優(yōu)化方法,并驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型有效性,為提高車齒工藝加工效率、延長(zhǎng)刀具壽命提供參數(shù)指導(dǎo)。
車齒工藝是基于空間交錯(cuò)軸圓柱齒輪嚙合原理的齒輪加工工藝,車齒工藝運(yùn)動(dòng)學(xué)原理如圖1 所示。
圖1 車齒工藝運(yùn)動(dòng)學(xué)原理
根據(jù)車齒工藝運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系構(gòu)建車齒工藝空間坐標(biāo)系:坐標(biāo)系S1(O1-X1Y1Z1)與坐標(biāo)系S2(O2-X2Y2Z2)為固定坐標(biāo)系,分別與工件與刀具起始位置重合;固定坐標(biāo)系Z1軸與Z2軸分別同工件與刀具的軸線重合;坐標(biāo)系Sc(Oc-XcYcZc)與坐標(biāo)系Sw(Ow-XwYwZw)分別為刀具與工件的固連坐標(biāo)系,并且刀具與工件分別繞著Zc軸與Zw軸以角速度ωc與ωw做同步回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)工件以速度vwf做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
Z1軸與Z2軸間最小距離為中心距a,滿足:
式中:車齒加工外齒輪時(shí)取正號(hào),車齒加工內(nèi)齒輪時(shí)取負(fù)號(hào);rw為工件分度圓柱半徑;rc為刀具分度圓柱半徑。
Z1軸與Z2軸間交錯(cuò)角為軸交角Σ,滿足:
式中:車齒加工外齒輪時(shí),若刀具與工件螺旋方向相同則取正號(hào),若刀具與工件螺旋方向相反則取負(fù)號(hào);車齒加工內(nèi)齒輪時(shí),若刀具與工件螺旋方向相同則取負(fù)號(hào),若刀具與工件螺旋方向相反則取正號(hào);βw為工件螺旋角;βc為刀具螺旋角。
為了滿足車齒工藝刀具與工件之間正確嚙合關(guān)系,應(yīng)給刀具附加差動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),則刀具角速度ωc與工件角速度ωw之間關(guān)系為
式中:zw為工件齒數(shù);zc為刀具齒數(shù);mwn為工件法向模數(shù)。
根據(jù)式(3)可確定刀具回轉(zhuǎn)角度φc與工件回轉(zhuǎn)角度φw之間的關(guān)系為
車齒加工是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,其切削結(jié)果受眾多因素影響,礙于現(xiàn)有技術(shù),測(cè)量車齒加工過程中切削力往往不精確,并且實(shí)驗(yàn)成本巨大,這些難題大大延長(zhǎng)了車齒工藝研究開發(fā)周期。為了解決上述問題,有限元方法因其效率高、成本低、便于監(jiān)測(cè)全程等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多青睞,本文選用DEFORM-3D 有限元平臺(tái)對(duì)車齒加工過程中切削力進(jìn)行分析。
在保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確的前提下,應(yīng)盡量簡(jiǎn)化仿真模型,本文選取刀具單刀齒及相應(yīng)齒槽模型而非完整刀具與工件進(jìn)行切削仿真。
幾何建模與網(wǎng)格劃分方法如下:
(1)根據(jù)表1 的刀具與工件設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建其刀齒幾何模型,如圖2 所示。
表1 刀具與工件設(shè)計(jì)參數(shù)
圖2 刀齒幾何模型
(2)基于車齒工藝運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,利用切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)建對(duì)應(yīng)的齒槽幾何模型,如圖3 所示。
圖3 齒槽幾何建模過程
(3)由式(1)~式(3)計(jì)算出的工藝參數(shù)裝配刀具與工件,如圖4 所示。
圖4 裝配與網(wǎng)格
(4)刀齒與齒槽默認(rèn)劃分為四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)分別約為430 000 與80 000,并針對(duì)前刀面設(shè)置網(wǎng)格窗使窗內(nèi)網(wǎng)格體積更小,窗內(nèi)外網(wǎng)格體積比為0.01∶1,刀具涂層材料為5 μm TiAl。
金屬切削過程中會(huì)產(chǎn)生較大塑性形變,工件材料會(huì)出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象,Johnson-Cook 模型被廣泛應(yīng)用于模擬金屬切削過程,對(duì)模擬高應(yīng)變和高應(yīng)變率的機(jī)械過程非常有效[12],十分適用于車齒加工仿真,該模型屈服應(yīng)力方程為
材料模型各參數(shù)見表2。
表2 材料模型參數(shù)
由于合金結(jié)構(gòu)鋼25CrMo4 切削性能良好[13],因此合金工具鋼AISI-H-13(即4Cr5MoSiV1)被廣泛用于制造刀具[14],本文分別選用25CrMo4 與AISI-H-13為工件與刀具的材料。
現(xiàn)有預(yù)測(cè)擠壓裂縫起裂標(biāo)準(zhǔn)中,Cockcroft &Latham 準(zhǔn)則是最常用的準(zhǔn)則[15],本文斷裂準(zhǔn)則采用該準(zhǔn)則,其臨界損傷值具體形式為
式中:εf為臨界斷裂等效應(yīng)變;σ為等效應(yīng)力;f(σ)為等效應(yīng)力函數(shù);ε為等效應(yīng)變。
由于在車齒加工過程中切削力的大小與方向是不斷變化的,因此目前還未統(tǒng)一切削力的計(jì)算方式。通過對(duì)車齒過程中作用力的分析,將任意時(shí)刻的切削力在工件固定坐標(biāo)系S1(O1-X1Y1Z1)分解成3 個(gè)方向的分力,如圖5 所示。與工件旋轉(zhuǎn)方向ωw相互垂直(即與Z1軸同向)的力Fz為主切削力,與X1軸同向的力Fx為背向力,與Y1軸同向的力Fy為進(jìn)給力,則切削力Fgs的表達(dá)式為
圖5 切削力分解
與其他兩向分力相比,主切削力Fz數(shù)值上非常接近總切削力,起主導(dǎo)作用,因此,本文將主要對(duì)主切削力進(jìn)行預(yù)測(cè)與優(yōu)化。
Box-Behnken Design(BBD)是通過對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化,而得到最優(yōu)響應(yīng)值的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[16]?;诖嗽O(shè)計(jì)方法,將3 個(gè)對(duì)切削力有影響的工藝參數(shù)(切削速度、軸向進(jìn)給量以及軸交角)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)因素,根據(jù)三因素三水平BBD 實(shí)驗(yàn)重復(fù)原則,進(jìn)行17 組仿真實(shí)驗(yàn),可得不同工況下車齒工藝切削力變化趨勢(shì)。為了盡可能地控制切削力波動(dòng)幅度,選擇對(duì)切削過程中主切削力極值進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。l1、l2、l3分別表示切削速度、進(jìn)給量與軸交角的設(shè)計(jì)水平。
表3 主切削力結(jié)果
圖6 所示為序號(hào)1 實(shí)驗(yàn)三向切削分力在切削過程中的變化趨勢(shì),背向力Fx小于進(jìn)給力Fy,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主切削力Fz,這就是設(shè)計(jì)新刀具、研發(fā)新機(jī)床、計(jì)算功率時(shí)將主切削力視為最關(guān)鍵因素的原因,證明了本文選擇主切削力為研究對(duì)象的正確性。
圖6 車齒加工過程中切削力變化趨勢(shì)(序號(hào)1)
為深入探究車齒切削速度、軸向進(jìn)給量和軸交角3 個(gè)參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律,建立了二階預(yù)測(cè)模型,其表達(dá)式為
式中:w0為響應(yīng)均值;wi(i為1~n的整數(shù))為線性響應(yīng)系數(shù);wij(j為1~n的整數(shù),但與i不相等)為雙因素交互響應(yīng)系數(shù);wii為二次響應(yīng)系數(shù);ε為誤差補(bǔ)償。
式(8)中n的取值由因素?cái)?shù)量決定,取值為3,故預(yù)測(cè)模型的具體形式應(yīng)為
為準(zhǔn)確地表達(dá)工藝參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律,必須對(duì)式(9)進(jìn)行誤差補(bǔ)償修正,修正后的結(jié)果為
最后,將表2 中各參數(shù)條件下主切削力結(jié)果代入式(10),可得本文主切削力預(yù)測(cè)模型,為:
對(duì)該模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表4。表4 中,F(xiàn)表示模型顯著性;P表示模型顯著性水平。標(biāo)準(zhǔn)F值為3.02,而本文中模型F值為20.44,遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值;并且本文模型顯著性水平P值為0.000 3,遠(yuǎn)小于置信系數(shù)0.05,進(jìn)一步說明本文預(yù)測(cè)模型置信性高;此外,R2值0.963 3 與修正決定系數(shù)Adjusted-R2值0.916 2 非常接近,說明模型擬合度非常高。
表4 主切削力預(yù)測(cè)模型的方差分析結(jié)果
為研究單工藝參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律,根據(jù)數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建其子模型,進(jìn)而得到主切削力關(guān)于單工藝參數(shù)的邊際方程,通過邊際方程分析單工藝參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律。
工藝參數(shù)使用無量綱轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,一次響應(yīng)系數(shù)wi、交互響應(yīng)系數(shù)wij和二次響應(yīng)系數(shù)wii之間線性不相關(guān)[17],令其中兩項(xiàng)工藝參數(shù)水平為0,可得目標(biāo)工藝參數(shù)對(duì)主切削力的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)子模型:
對(duì)式(12)中l(wèi)1、l2、l3分別求導(dǎo),可得主切削力的邊際方程:
由圖7 可知,在選定的工藝參數(shù)范圍內(nèi),隨著進(jìn)給量的增大,主切削力也不斷提高,這是因?yàn)檫M(jìn)給量的增大導(dǎo)致切削厚度增加,刀具需克服的彈塑性阻力增大,并且進(jìn)給量的參數(shù)水平越高影響主切削力的程度也越明顯;軸交角的增大對(duì)主切削力的影響規(guī)律為先降低后提升,因此選用大軸交角會(huì)使切削力對(duì)刀具磨損的影響程度降低;切削速度的提高也會(huì)使主切削力增大,其原因?yàn)楦咔邢魉俣仁沟玫毒邔?shí)際前角變小、變形系數(shù)增大繼而導(dǎo)致切削力增大,但變化幅度不顯著,并且隨著切削速度參數(shù)水平的上升,因刀具積屑瘤的產(chǎn)生,從而引起主切削力受切削速度影響降低的問題。綜上所述,單工藝參數(shù)對(duì)車齒工藝主切削力影響程度順序?yàn)椋哼M(jìn)給量 >軸交角> 切削速度。
圖7 主切削力邊際方程
本節(jié)通過響應(yīng)曲面圖,分析多元工藝參數(shù)對(duì)主切削力的交互影響,具體方法:設(shè)置某一工藝參數(shù)水平為0 作參考,討論另外兩項(xiàng)工藝參數(shù)間交互作用對(duì)主切削力的影響規(guī)律。主切削力與工藝參數(shù)間響應(yīng)關(guān)系如圖8 所示。
圖8 主切削力與工藝參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系
由圖8a 可知,隨著進(jìn)給量的增大,主切削力也不斷增大,并且隨著切削速度的提升,等高線就越陡峭,說明切削速度促進(jìn)了進(jìn)給量對(duì)主切削力的影響。由圖8b 可知,隨著軸交角的增大,主切削力不斷減小,并且隨著切削速度的提升,等高線就越平緩,意味著切削速度抑制了軸交角對(duì)主切削力的影響。由圖8c 可知,軸交角與進(jìn)給量對(duì)主切削力的交互影響規(guī)律呈輻射狀,即軸交角越小、進(jìn)給量越大,主切削力越大,并且兩者對(duì)主切削力的影響程度較為相似。
通過在中尋找最高點(diǎn)與最低點(diǎn)發(fā)現(xiàn):最高點(diǎn)和最低點(diǎn)均位于圖8c,分別約為13 134 N、6 660 N。表明在選定工藝參數(shù)范圍內(nèi),多元工藝參數(shù)對(duì)主切削力交互影響最顯著的是fw-Σ。
在約束主切削力極值的前提下對(duì)車齒工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),必須先確定對(duì)主切削力影響最大的參數(shù)取值,再以最高切削效率為目標(biāo),對(duì)影響主切削力程度較小的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而得到一組最佳參數(shù)組合。
對(duì)切削力影響程度最高的工藝參數(shù)是軸向進(jìn)給量,應(yīng)先確定其取值再進(jìn)行優(yōu)化。但考慮實(shí)際加工情況,對(duì)刀具螺旋角進(jìn)行優(yōu)化(即需要制造新的復(fù)雜構(gòu)型刀具)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)低于直接調(diào)整軸向進(jìn)給量,并且軸交角對(duì)主切削力的影響程度與軸向進(jìn)給量相差無幾,故本文先確定軸交角的取值,再對(duì)切削速度與軸向進(jìn)給量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
為了求取不同螺旋角(本文選取5°、10°、15°,車齒加工時(shí)對(duì)應(yīng)的軸交角分別為20°、25°、30°)刀具在對(duì)應(yīng)主切削力約束條件下的最佳工藝參數(shù)組合,將采用遺傳算法(genetic algorithm,GA)進(jìn)行優(yōu)化求解。
車齒切削效率受到切削速度、進(jìn)給量的影響,且切削效率與二者線性正相關(guān),切削效率計(jì)算公式可表示為
在式(11)約束條件下,以式(14)中所示Egs值最大為目標(biāo),優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)組合。GA算法流程如下。
(1)初始隨機(jī)產(chǎn)生種群。
(2)依據(jù)策略判斷個(gè)體適應(yīng)度,若符合優(yōu)化準(zhǔn)則,輸出最優(yōu)個(gè)體與最佳解,結(jié)束優(yōu)化;否則進(jìn)行步驟(3)。
(3)基于適應(yīng)度選擇父母?jìng)€(gè)體,適應(yīng)度高則被選中概率大,適應(yīng)度低則被選中概率小。
(4)將成為父母的個(gè)體染色體交叉產(chǎn)生后代。
(5)對(duì)后代染色體進(jìn)行變異操作,再進(jìn)行交叉、變異后產(chǎn)生新的種群,之后回到步驟(2)循環(huán)直至產(chǎn)生最優(yōu)解。
GA 算法的參數(shù)范圍設(shè)置為:l1=(-1~1),l2=(-1~1),l3=(-1、0、1)。車齒工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如圖9 和表5 所示。
表5 車齒工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
通過表5 可知,3 組優(yōu)化參數(shù)下所預(yù)測(cè)主切削力與仿真所得實(shí)際主切削力間誤差率分別為4.48%、5.90%、3.19%,平均誤差率為4.52%,低于10%,表明工藝參數(shù)優(yōu)化具有可靠性、有效性。
根據(jù)車齒工藝運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,構(gòu)建了單刀齒與齒槽模型,并利用有限元仿真方法得到不同工況下主切削力變化趨勢(shì),得出以下結(jié)論:
(1)基于BBD 響應(yīng)面法建立主切削力預(yù)測(cè)模型并驗(yàn)證了該模型的正確性,通過分析邊際方程圖得到了單工藝參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律,即在指定參數(shù)范圍內(nèi),進(jìn)給量、軸交角、切削速度對(duì)主切削力的影響程度依次減弱;之后通過響應(yīng)曲面圖分析多元工藝參數(shù)對(duì)主切削力的交互影響,結(jié)果表明,fw-Σ對(duì)主切削力的影響最大。
(2)提出了一種基于GA 算法在約束主切削力前提下以最高切削效率為目標(biāo)的優(yōu)化方法,對(duì)不同螺旋角刀具進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際結(jié)果間平均誤差率僅為4.52%,可以為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。