何志平， 蔣炳炎

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

21世紀(jì)初期是中國汽車行業(yè)的黃金時(shí)期，尤其是近些年，中國的汽車行業(yè)更是獲得了長足的發(fā)展。作為汽車的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的制造和發(fā)展越來越受到行業(yè)的關(guān)注，國內(nèi)、外汽車品牌紛紛設(shè)立發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，包括發(fā)動(dòng)機(jī)五大件之一的凸輪軸在內(nèi)的汽車零配件的加工技術(shù)正處于蒸蒸日上態(tài)勢。凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中配氣機(jī)構(gòu)中的重要部件，控制著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉，對整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等起著非常重要的作用。而凸輪軸屬于細(xì)長軸類零件，剛性差、易變形是其主要的加工特點(diǎn)［1-2］。因此，凸輪軸加工后的性能與質(zhì)量將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能。

本文針對特定客戶生產(chǎn)的鋼質(zhì)凸輪軸半成品的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金切槽加工刀片，利用AdvantEdge FEM仿真軟件對切槽加工刀片進(jìn)行了仿真分析，為切槽加工推薦出了科學(xué)的切削參數(shù)。并通過Mises等效應(yīng)力分析，說明了切槽加工刀片仿真模型的合理性。

1 鋼質(zhì)凸輪軸半成品及其6.90 mm槽寬結(jié)構(gòu)

鋼質(zhì)凸輪軸半成品（切槽后、凸輪尚未成型）如圖1所示。該產(chǎn)品需加工的槽包括5 mm、6.90 mm、14 mm，其中6.90 mm寬度的槽最多且典型，6.90 mm寬度槽結(jié)構(gòu)見圖1中放大圖。

以該特定的槽寬6.90 mm，底部圓弧半徑R2.0 mm作為研究對象，其技術(shù)要求如下：1）槽寬尺寸符合要求，公差為±0.05 mm；2）工件槽的側(cè)面粗糙度不高于Ra3.2；3）工件槽底部無明顯接刀痕跡，表面光潔；4）切槽加工過程穩(wěn)定。

圖1 鋼質(zhì)凸輪軸半成品及6.90 mm槽結(jié)構(gòu)放大圖

2 AdvantEdge軟件簡介

AdvantEdge是專業(yè)的有限元分析仿真軟件，能夠通過設(shè)置機(jī)加工切削要素，對切削加工進(jìn)行有限元計(jì)算和分析，通過仿真結(jié)果模擬真實(shí)切削加工，可從中得出各種切削加工性能指標(biāo)，供用戶改進(jìn)加工性能。

使用該軟件，可以在一定程度上減少昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，改善刀具的磨損和壽命，達(dá)到提高生產(chǎn)效率及機(jī)床使用率的目的。FEM是AdvantEdge軟件中的一個(gè)模塊，該模塊能夠進(jìn)行微觀及宏觀的加工分析,模擬加工中材料的性能、力、熱、切屑等；提供詳細(xì)的銑削、車削、鉆孔、鏜削等工藝分析類型，具備豐富的后處理功能［2］。

3 有限元模型的建立

目前用于切削數(shù)值的模擬方法主要有Euler法和Lagrange法。Lagrange法是固體分析方法，有限元網(wǎng)格隨著工件的變形而變形。由于在切削過程中,切屑成形后的形狀不是固定的，需要不斷調(diào)整空間網(wǎng)格來描述邊界條件。因此，本文選用Lagrange法建立有限元模型,充分利用AdvantEdge中的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，提高運(yùn)算精度［3-4］。

3.1 三維幾何模型的建立

結(jié)合上述鋼質(zhì)凸輪軸半成品加工要求，使用三維建模軟件UG進(jìn)行切槽刀片的造型設(shè)計(jì)，使其外形滿足寬6.90 mm刀尖圓弧半徑R2.0 mm要求，然后將其轉(zhuǎn)存為stp格式，再導(dǎo)入到AdvantEdge FEM有限元軟件中。模擬仿真用三維模型及外形尺寸如圖2所示，圖3為其二維模型圖形尺寸。

圖2 模擬仿真刀片模型

圖3 模擬仿真刀片二維模型尺寸

3.2 有限元網(wǎng)格劃分及模擬參數(shù)的確定

對切槽加工刀片和工件的有限元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如表1所示。

表1 刀片和工件有限元網(wǎng)格劃分

切槽加工刀片網(wǎng)格化后的模型如圖4所示。

表2 切槽加工刀片槽型參數(shù)

3.3 模擬參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置刀具、工件材料。模擬分析采用的刀片為自主研制的6.90 mm寬切槽刀片，其槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2；工件直接選用工件材料庫中的45鋼，工藝參數(shù)設(shè)置對話框如圖5所示，最終建立的模型如圖6所示［3-4］。

圖4 網(wǎng)格化后的模型

圖5 工藝參數(shù)設(shè)置

圖6 最終3D模型

4 切槽加工仿真分析

4.1 切削參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種非常有效的解決切削問題的方法。在切削實(shí)驗(yàn)中使用合適的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠大幅度地減少切削實(shí)驗(yàn)的次數(shù)從而迅速找到最佳的切削參數(shù)搭配，能夠迅速有效地解決加工問題。以切削速度Vc和進(jìn)給量Fn作為實(shí)驗(yàn)的2個(gè)因素，采用切削溫度T和切削力F作為試驗(yàn)指標(biāo)，水平數(shù)選擇3，多方面考慮實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和結(jié)果，結(jié)合具體的生產(chǎn)加工節(jié)拍和工藝，可以在切削參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)選擇3水平因素值，如表3所示［6-9］。

4.2 切槽加工過程仿真

參照表3，能夠確定選用L9（34）正交表來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表4所示。先按照表中的參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，再提取出仿真結(jié)果，如圖7所示。

表3 因素水平表

從圖7切削溫度和切削力仿真結(jié)果云圖以及表4正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：1）切屑溫度最高達(dá)到1 007℃，刀具溫度最高達(dá)到944℃，切屑溫度較刀具溫度稍高，切槽加工過程中，切屑能夠帶走大部分的熱量，切屑的形成狀況對刀具的壽命影響很大。2）切削過程當(dāng)中刀具部位的最高溫度主要分布在刀具前刀面與切屑接觸的狹小區(qū)域。因此，若切削加工參數(shù)選擇不合理，將導(dǎo)致切削溫度迅速升高，刀尖、刀刃容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。

表4 切槽加工切削溫度和切削力正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 切削溫度和切削力仿真結(jié)果

4.3 切槽加工過程切削溫度分析

極差分析法的特點(diǎn)是簡單易懂、計(jì)算簡便和直觀形象，是正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中最為普遍采取的方法。運(yùn)用極差分析法，能夠?qū)σ蛩氐闹鞔雾樞颉⒁蛩氐淖顑?yōu)水平組合進(jìn)行確定，并繪制因素水平與指標(biāo)趨勢圖。參照極差分析法，可以計(jì)算出切槽過程各切削參數(shù)下的溫度平均值，如切削速度Vc在水平1下的溫度平均值為TVc.1=（812.124+900.656+1 007.33）÷3=906.7℃。同樣，切削速度Vc在水平1下的切削力平均值為FVc.1=（6 500+7 500+9 000）÷3=7 666.67 N。

同樣的道理，計(jì)算出其他切削參數(shù)在各水平下的切槽加工切削溫度和切削力均值，并繪制切削參數(shù)-切削溫度圖（圖8）和切削參數(shù)-切削力圖（圖9）。

圖8 切削參數(shù)-切削溫度圖

圖9 切削參數(shù)-切削力圖

可以得出結(jié)論如下：1）切削溫度隨進(jìn)給速度的增加而上升，切削力也隨進(jìn)給速度的增加而上升；2）切削速度達(dá)到220 m/min時(shí)，在Fn=0.20～0.30 mm/r區(qū)間，該切削速度下產(chǎn)生的切削溫度比其他切削速度產(chǎn)生的溫度都高，即切削溫度在220 m/min時(shí)達(dá)到峰值，隨后降低；3）綜合考慮切槽加工的切削參數(shù)時(shí)應(yīng)盡量避開極易產(chǎn)生切削溫度峰值的切削速度，如該場合下的Vc=220 m/min是不應(yīng)被選用的，選擇時(shí)可選擇低于或高于該切削速度，由于切槽加工情況復(fù)雜,一般建議在速度較低的情況下進(jìn)行,如80～210 m/min的線速度都是比較合適的；進(jìn)給量推薦Fn=0.20～0.25 mm/r。

4.4 切槽加工Mises等效應(yīng)力云圖分析

切槽加工特點(diǎn)是：1）它是一個(gè)主刀刃和2個(gè)副刀刃同時(shí)進(jìn)行的三面切削，被加工材料塑性變形復(fù)雜，摩擦阻力大，加工進(jìn)給量小，切削厚度薄，平均變形大，單位切削力增大，總切削力與功耗大，有統(tǒng)計(jì)它比一般外圓切削大20%左右。同時(shí)產(chǎn)生切削熱多，散熱差，切削溫度很高；2）隨著切削的深入，工件直徑不斷減小，切削速度不斷變化，切削力也在不斷變化；3）車削方式切槽加工的實(shí)質(zhì)是：在工件旋轉(zhuǎn)的同時(shí)將刀具以一定進(jìn)給切入，其在工件加工表面形成的是阿基米德螺旋線，因此切削加工過程中實(shí)際的前角和后角在不斷地發(fā)生變化，使加工過程更為復(fù)雜。

Mises stress作為一種等效應(yīng)力，通過應(yīng)力等值線表示刀具模型內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況，它可以清晰地描述出同一種結(jié)果在整個(gè)模型中的變化分布。切槽加工Mises等效應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 Mises等效應(yīng)力云圖

從Mises等效應(yīng)力云圖中可以明顯看出，在可轉(zhuǎn)位切槽加工刀片的主切削刃、兩副切削刃和圓弧刃，以及刀片的后角面處所受到的Mises Stress為最大，達(dá)到1 000 MPa；其受力狀況與槽加工特點(diǎn)是一致的，從而說明了可轉(zhuǎn)位切槽加工刀片仿真模型的合理性。

5結(jié)語

1）通過切削溫度T和切削力F的正交實(shí)驗(yàn)仿真分析，考慮到加工效率、工件受力彎曲等方面因素，推薦切槽加工切削參數(shù)：切削速度不應(yīng)高于220 m/min，即Vc＜220 m/min，以 180～210 m/min 為宜；進(jìn)給量推薦 Fn=0.20～0.25 mm/r；

2）通過Mises等效應(yīng)力云圖可以看出，其受力狀況與切槽加工特點(diǎn)是相吻合的，從而說明了可轉(zhuǎn)位切槽加工刀片仿真模型的合理性，為可轉(zhuǎn)位切槽加工刀片產(chǎn)品的成功開發(fā)提供了理論依據(jù)。

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