孫興偉 王 然

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110023）

轉(zhuǎn)子螺旋曲面盤銑刀動力學(xué)分析模型處理與切削仿真

孫興偉 王 然

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110023）

本文主要解決了五頭螺桿轉(zhuǎn)子在動力學(xué)分析時工件模型的重新建立以及ABAQUS仿真時網(wǎng)格劃分的技術(shù)性難題。通過三點型線擬合、五點型線擬合以及圓弧型線擬合與理論復(fù)雜型線的對比發(fā)現(xiàn)：圓弧型線擬合的誤差很小且比較光順，從而利用圓弧型線擬合，成功解決了復(fù)雜型線曲面無法建模或建模出錯的狀況；通過對各部件進行合理的區(qū)域劃分，解決了一體多網(wǎng)格類型的技術(shù)性難題，保證了各部件網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與可行性；對工件起刀時進行切削仿真，觀察切削力的變化。同時，本文還重新闡述了包絡(luò)銑削加工技術(shù)的基本原理，并配以圖形加以論證。

五頭螺桿轉(zhuǎn)子 型線擬合 網(wǎng)格劃分 包絡(luò)銑削

1 轉(zhuǎn)子螺旋曲面盤銑刀動力學(xué)分析的提出

隨著社會的發(fā)展，進入21世紀后我國機械行業(yè)發(fā)展迅速。目前，機械行業(yè)正迎來數(shù)控機床以及精密數(shù)控機床發(fā)展高峰期，傳統(tǒng)的機床將逐步被淘汰。在國外發(fā)達國家，傳統(tǒng)的機床基本上已經(jīng)被現(xiàn)代數(shù)控機床取代完畢。然而，我國由于對數(shù)控機床研究時間短、自主開發(fā)能力薄弱及與其相關(guān)的配套體系尚未形成，產(chǎn)品精度保持性以及精度差等諸多因素從根本上阻礙了我國數(shù)控機床的現(xiàn)代化進程。其中，異形螺旋桿機械類設(shè)備因其復(fù)雜的表面形狀，生產(chǎn)過程對數(shù)控機床的依賴程度非常高。而數(shù)控機床中設(shè)置的復(fù)雜運動軌跡命令最終還要施加于刀具之上，因此刀具部分的質(zhì)量和性能直接影響產(chǎn)品的精度與性能。

五頭螺桿轉(zhuǎn)子由刀具和圓柱毛胚工件間的相互運動銑削加工而成。由沈陽工業(yè)大學(xué)科技園提出的用盤銑刀進行無瞬心包絡(luò)銑削加工法，具有精度高、效率高等特點。但是，刀體由多個刀片均勻固定在盤形刀架上組成，勢必會導(dǎo)致切削加工的不連續(xù)性，進而導(dǎo)致切削力的突變以及切削震動的產(chǎn)生，進一步引起刀具的加速磨損，甚至影響工件表面的加工質(zhì)量。切削力的突變會造成加工過程的不穩(wěn)定或刀具的疲勞，直接影響工件表面的加工質(zhì)量及刀具的使用壽命。伴隨著制造技術(shù)的迅速發(fā)展，精度好、速度快、高效率現(xiàn)代數(shù)控機床的使用，對刀具的精度、切削能力及其結(jié)構(gòu)的性能、工作可靠性提出了更高指標。為了對五頭螺桿轉(zhuǎn)子切削過程中的切削力特性以及震動特性進行精準預(yù)測，必須對其進行動力學(xué)分析。

2 五頭螺桿轉(zhuǎn)子模型的建立

2.1 五頭螺桿轉(zhuǎn)子理論廓形

進行動力學(xué)分析前，必須要對五頭螺桿的截面型線有所了解。一般，復(fù)雜螺旋曲面都有一種異形曲線或多種異形曲線的組合繞一條母線按一定運動規(guī)律形成。無論對任何異型螺旋曲面來說，最基本的特征線是螺旋線與輪廓線，其中輪廓線又分為軸向廓線、法向廓線和端面廓線，如圖1所示。

本文研究的五頭螺桿轉(zhuǎn)子型線由漸開線與一段圓弧擬合而成。而圓弧與漸開線相交處，采用三次樣條插值法處理，以滿足平滑性要求。螺桿轉(zhuǎn)子的廓形取漸開線的一部分與一段1/4的圓弧擬合，兩曲線交點處的異常變化區(qū)間用一段小圓弧拼接，把拼接后的型線通過整合形成加工用的截面廓形線，如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子螺旋曲面的特征線

圖2 型線異常區(qū)的處理圖與截面廓形

2.2 螺桿的三維建模

由于廓形中的漸開線是由很多點組成的復(fù)雜曲線，用圖3的理論廓形進行Solidworks三維建模時系統(tǒng)計算量大，往往導(dǎo)致建模失敗?；诖?，本文對漸開線部分進行了三點擬合、五點擬合及圓弧擬合。三類擬合相差不大，如圖3所示。

圖3 廓形線的三種擬合對比

圓弧擬合的Solidworks三維模型，如圖4所示。

2.3 盤銑刀的三維建模

銑削力有限元仿真過程既復(fù)雜又緩慢，因此建立模型時，在做到盡量不影響分析因素的結(jié)果前提下，要把模型做到最簡化。沈陽工業(yè)大學(xué)科技園用的盤銑刀由圓盤形刀體、刀座以及硬質(zhì)合金刀構(gòu)成，整體有24個刀片均勻分布。簡化后的模型去掉刀座，并對刀體結(jié)構(gòu)進行合理改變，刀片與緊固件做成一體。實物圖與簡化模型對比，如圖5所示。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)子模型

圖5 盤銑刀實物圖與模型

2.4 螺桿轉(zhuǎn)子盤銑刀包絡(luò)銑削動態(tài)模擬

進行裝配時先導(dǎo)入螺桿轉(zhuǎn)子，則系統(tǒng)會默認為基準，不能移動和轉(zhuǎn)動，因此要建立一個支撐平臺作為基準。螺桿大徑為49.60mm，小徑為34.90mm，計算的螺桿轉(zhuǎn)子中經(jīng)為42.25mm，螺距為110mm，計算得導(dǎo)程為550mm。于是，螺旋角公式：

計算得螺旋角及安裝角為25.64°。如圖6所示，順著Z的正方向看，工件繞自身Z軸做順時針轉(zhuǎn)動；同時逆著Y1看，盤銑刀繞自身Y1軸做順時針轉(zhuǎn)動，且在X1方向上做來回直線運動；每當(dāng)銑完一個斷面，盤銑刀就沿著Z軸正方向向前走一個5mm的進給量。這就是螺桿轉(zhuǎn)子包絡(luò)銑削加工原理。

充分理解包絡(luò)銑削加工原理后，本文對加工過程進行了動態(tài)模擬，如圖7所示。

圖6 包絡(luò)銑削原理

圖7 動態(tài)模擬轉(zhuǎn)子加工

3 切削仿真

3.1 切削仿真簡化

這里假設(shè)轉(zhuǎn)子在銑削過程中每銑削一個斷面，其銑削力特性是一致的，即銑削時每個刀片的受力情況是一致的。由于24個刀片均勻布置在圓盤之上，這里選擇其中一個刀片進行切削力仿真。切削時工件繞自身Z軸以1r/min速度旋轉(zhuǎn)，而工件則是以180r/min的速度繞自身Y1軸旋轉(zhuǎn)。經(jīng)推算，刀片在切削歷程最長時，與工件的接觸時間僅為0.024s。這樣本文假設(shè)切削時工件對刀具的力可分為兩部分：在Y1方向上受到工件的擠壓力，這個力非常小，仿真簡化時可忽略這個力；在Z1方向上受到工件的力為主要切削力，需進行動態(tài)切削仿真，以觀察力的大小及變化情況。本文結(jié)合實際情況與個人當(dāng)前仿真水平，進一步簡化了仿真分析。

3.2 網(wǎng)格處理與切削力仿真結(jié)果

切削時主要是刀具受力。為了網(wǎng)格劃分方便及計算速度，把盤銑刀與刀片簡化為一體，并做成中空體。劃分網(wǎng)格時，把盤銑刀分割為三部分，與工件直接接觸部分直接受力，故網(wǎng)格劃分密集。工件部分的網(wǎng)格劃分也劃分成三個區(qū)域，如圖8所示。

切削仿真時，工件材料定義為42CrMo，盤銑刀材料為硬質(zhì)合金刀。盤銑刀切削時，切削力的變化情況如圖9所示。

圖8 盤銑刀與工件網(wǎng)格劃分

圖9 切削仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文主要對165型五頭螺桿動力學(xué)分析時的工件及刀具的三維模型進行合理簡化，并對受力仿真時模型的網(wǎng)格進行技術(shù)性劃分。經(jīng)本文模型的簡化及網(wǎng)格技術(shù)性的劃分，將為后續(xù)的動力學(xué)分析提供有力的分析環(huán)境以及理論性支持。

[1]王可，趙文珍，唐宗軍，等.異型螺桿無瞬心包絡(luò)銑削技術(shù)[J].中國機械工程，2001，（6）：294-297.

[2]王可，趙文珍，唐宗軍，等.異性螺桿加工所用無瞬心包絡(luò)法原理與實踐[J].制造技術(shù)與機床，1999，（2）：37-38.

[3]王可，柏占偉，魏國家.多自由度銑削螺旋曲面的變安裝角問題研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2004，（9）：7-8，17.

[4]胡建生，李衛(wèi)民，劉玉浩.基于SolidWorks參數(shù)化實體造型方法研究[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2007，27（2）：105-108.

[5]王建軍，王可.碟狀銑刀銑削螺旋面刀具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].機電工程，2003，20（3）：70-72.

[6]王艷艷.基于細分曲面造型的研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2009.

[7]陳海燕.ABAQUS有限元分析從入門到精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：268-278.

[8]宋超，殷國富.基于運動原理計算加工螺旋槽用成型盤銑刀刀具廓型線方法研究[J].工具技術(shù)，2010，（8）：58-61.

[9]康國政.大型有限元程序的原理結(jié)構(gòu)與使用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

The Processing of Model and the Cutting Simulation about Rotor Screw Surface and Plate Milling Cutter in Dynamics Analysis

SUN Xingwei, WANG Ran
(College of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110023)

This article mainly solves five screw rotor’s model reestablishing of the workpiece and the ABAQUS simulation grid technical difficulties when going dynamics analysis . By comparing the three-point line fitting, the five line fitting and the circular arc line fitting with the complexity theory line we can found that the arc line fitting’s error very small and more smooth , so using the circular arc line fitting successfully solved the difficulty of complexity surface can’t modeling or modeling error . So through the reasonable region partition of parts we can must solved the problem that more than one grid on a component, which ensure the quality of the mesh parts and the mesh’s feasibility. Doing cutting simulation when the first knife on workpiece and observeing the change of cutting force. At the same time this paper also expounds the basic principle of envelope milling technology, and verified with graphics.

five head screw rotor, type line fitting, mesh generation, envelope milling