□李小龍□周 燕□趙志峰

1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 山西運(yùn)城 044000

2.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心 山西運(yùn)城 044000

1 問(wèn)題的提出

對(duì)于現(xiàn)代化制造業(yè)而言，機(jī)械加工工藝的指導(dǎo)作用是不可或缺的。由于近年來(lái)我國(guó)的制造科技水平不斷提升，機(jī)械加工工藝在機(jī)械加工過(guò)程中的重要性越來(lái)越突顯，在制造業(yè)中的地位也越來(lái)越重要。

隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的加工要求與精度要求越來(lái)越高，產(chǎn)品材料層出不窮，難加工材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1]。針對(duì)難加工材料零件精度要求高、加工難度大的特點(diǎn)，加工過(guò)程中必須具備特殊的夾具、刀具、輔具及量具，這就導(dǎo)致了零件加工經(jīng)濟(jì)成本和周期成本大幅增加。為了提高難加工材料的零件加工速度，筆者從刀具角度出發(fā)，對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

筆者在詳細(xì)分析了某電機(jī)定子組件小直徑高精度軸承室技術(shù)參數(shù)后，綜合考慮其技術(shù)點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)加工工藝、技術(shù)參數(shù)和夾具，使小直徑高精度軸承室在精加工后達(dá)到技術(shù)參數(shù)要求。小直徑高精度軸承室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 零件分析

2.1 圖紙分析

小直徑高精度軸承室由于用途的特殊性，決定了自身具有尺寸小、精度高、材料特殊、加工難度大的特點(diǎn)，是導(dǎo)致加工合格率和加工效率都不高的主要因素。

圖1 小直徑高精度軸承室結(jié)構(gòu)

軸承室的尺寸要求包括左面內(nèi)孔φ15 mm±0.002 mm和右面內(nèi)孔φ19 mm±0.002 mm，同時(shí)需要滿足產(chǎn)品的幾何公差要求，具體為：φ15 mm±0.002 mm內(nèi)孔對(duì)B基準(zhǔn)的同軸度φ0.012 mm、圓柱度0.005 mm，其左端面對(duì)A基準(zhǔn)的垂直度0.03 mm；φ19 mm±0.002 mm內(nèi)孔對(duì) B基準(zhǔn)的同軸度φ0.012 mm、圓柱度 0.005 mm，其右端面對(duì)A基準(zhǔn)的垂直度0.02 mm；60.7mm右端面對(duì)A基準(zhǔn)的垂直度0.02 mm。

2.2 工藝方案分析

由于軸承室零件精度高，因此加工精度難保證。經(jīng)過(guò)對(duì)加工方案進(jìn)行分析和多次研討，整理出一套可行的工藝方案。

精車零件右端面及φ19 mm±0.002 mm內(nèi)孔時(shí)，采用胎具裝夾。精車零件右端面，保證尺寸60.7mm，以及對(duì)A基準(zhǔn)的垂直度0.02 mm。精車內(nèi)孔φ19mm±0.002mm及其右端面φmm，保證內(nèi)孔尺寸φ19 mm±0.002 mm、表面粗糙度Ra0.8 μm、圓柱度 0.005 mm，以及 φ19 mm±0.002 mm對(duì)外圓B基準(zhǔn)的同軸度φ0.012 mm，保證內(nèi)孔尺寸φmm和端面深度mm、對(duì)基準(zhǔn)A的垂直度0.02 mm。

注意以上加工內(nèi)容一次裝夾完成，數(shù)控機(jī)床采用12刀位德瑪吉DMC50H，刀具采用硬質(zhì)合金鏜刀YG813，工藝裝備為外圓彈性?shī)A套，內(nèi)孔脹胎芯軸，技術(shù)要求為數(shù)控機(jī)床刀塔的回轉(zhuǎn)誤差小于0.005 mm。

精車零件左端φ15 mm±0.002 mm內(nèi)孔及其端面時(shí)，以φ19 mm±0.002 mm內(nèi)孔及其右端面定位，脹胎裝夾，精車φ15 mm±0.002 mm內(nèi)孔及其端面φmm，保證內(nèi)孔尺寸φ15mm±0.002mm、圓柱度0.005 mm、表面粗糙度Ra0.8 μm、對(duì)外圓基準(zhǔn)B的同軸度φ0.012 mm，φmm尺寸精度及端面深度mm、對(duì)A基準(zhǔn)的垂直度0.03mm。所采用的數(shù)控機(jī)床、刀具，以及工藝裝備和技術(shù)要求與精車右端面及內(nèi)孔時(shí)相同。

所采用的加工工藝路線適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)加工設(shè)備要求不高，但是對(duì)鏜刀的精度和強(qiáng)度要求卻較高。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承室的高精度加工，需要對(duì)鏜刀進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 數(shù)學(xué)建模

3.1 材料模型

在切削過(guò)程中，零件材料會(huì)發(fā)生高溫、大應(yīng)變等變化。為了更好地反映零件材料在切削過(guò)程中應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力和溫度之間的函數(shù)關(guān)系[2]，基于Johnson-Cook模型構(gòu)建TC4鈦合金材料數(shù)學(xué)模型，這一模型直接反映了TC4材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)及溫度軟化效應(yīng)。TC4材料的彈性模量E為110 GPa，材料密度 ρ為 4.43 g/cm3，泊松比 μ 為 0.342，強(qiáng)度σb為1 012 MPa，比熱容C為526 J/（kg·℃），熱導(dǎo)率K為7.3 W/（m·℃），材料的數(shù)學(xué)模型為[3-4]：

式中：σ為材料流動(dòng)應(yīng)力；ε為材料應(yīng)變；ε˙為材料應(yīng)變率；ε˙0為材料參考應(yīng)變率；T0為室內(nèi)溫度；T為實(shí)測(cè)溫度；Tm為材料熔點(diǎn)。

刀具材料為YG813，其中鎢含量為94%，鈷含量為6%，密度為11.0g/cm3，熱導(dǎo)率為79W/（m·℃）。

3.2 刀具磨損模型

金屬切削加工過(guò)程的基本原理是通過(guò)刀具和零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切屑與零件之間的分離。刀具與零件在切削過(guò)程中產(chǎn)生摩擦是不可避免的，刀具的磨損也就相應(yīng)出現(xiàn)。減小磨損的途徑，主要是減小刀具和零件之間的應(yīng)力關(guān)系[5]。在中低速切削加工鈦合金TC4過(guò)程中，根據(jù)鏜刀的角度，建立前刀面磨損率ωq、刀具后前角γ0和后角α0之間的預(yù)測(cè)模型：

4 鏜刀參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)95°內(nèi)孔車刀的結(jié)構(gòu)（圖2）和參數(shù)（表1）對(duì)鏜刀進(jìn)行具體參數(shù)賦值[6]，鏜刀前角為15～20°，后角為 8～15°，刃傾角為 3～5°，主偏角為 90～95°，刀尖圓弧半徑為0.1～0.2 mm。

圖2 95°內(nèi)孔車刀和結(jié)構(gòu)

ANSYS Design Explorer是ANSYS軟件中的多目標(biāo)優(yōu)化模塊，筆者通過(guò)這一模塊擬合鏜刀參數(shù)優(yōu)化后的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)[7]。為了使鏜刀具在切削過(guò)程中受到的切削應(yīng)力盡量小，對(duì)鏜刀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，運(yùn)用 ANSYS Design Explorer模塊產(chǎn)生 A、B、C、D四組優(yōu)化后的候選優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)。對(duì)比四組優(yōu)化后的設(shè)計(jì)點(diǎn)，得出其中C組為最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，最大切削應(yīng)力小于YG813的許用應(yīng)力（1 150 MP），且鏜刀的前角、后角、刃傾角、主偏角和刀尖圓弧半徑都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。將C組作為設(shè)計(jì)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)模型，所得出的分析結(jié)果與優(yōu)化前參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

5 有限元分析

為了準(zhǔn)確合理模擬出金屬切削過(guò)程，考慮有限元模擬精度和網(wǎng)格劃分對(duì)仿真的影響，將零件加工過(guò)程中鏜刀與零件的接觸模型假設(shè)為剛塑性接觸模型[8]。

根據(jù)優(yōu)化后的鏜刀參數(shù)，應(yīng)用CATIA軟件對(duì)鏜刀進(jìn)行有限元建模，根據(jù)軸承室的內(nèi)孔尺寸選擇09R0808鏜刀，如圖3所示。應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、靜力學(xué)分析，得到鏜刀在高精度加工過(guò)程中的受力變形，確認(rèn)鏜刀參數(shù)滿足加工的要求[9-12]，如圖4～圖6所示。

圖3 鏜刀三維模型

圖4 鏜刀有限元模型

圖5 鏜刀靜態(tài)應(yīng)力分析

圖6 鏜刀靜態(tài)應(yīng)變分析

鏜刀在加工過(guò)程中，根據(jù)切深0.2 mm、進(jìn)給0.06 mm/r分析，鏜刀在刀桿和刀頭接觸處受到的最大應(yīng)力為369 Pa，鏜刀的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀具的許用應(yīng)力。鏜刀最大應(yīng)變出現(xiàn)在刀桿和刀頭接觸處，為4.4×10-9mm，遠(yuǎn)小于刀具的安全應(yīng)變量。

6 試驗(yàn)分析

基于理論分析后的參數(shù)，對(duì)鏜刀進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

6.1 試驗(yàn)條件

每批次試驗(yàn)零件數(shù)量為23件，機(jī)床為12刀位德瑪吉DMC50H，鏜刀前角為18.8°，后角為14.7°，刃傾角為4.3°，主偏角為90.8°，刀尖圓弧半徑為0.08 mm。機(jī)床轉(zhuǎn)速為850 r/min,切深為0.2 mm，進(jìn)給量為0.06 mm/r。

6.2 結(jié)果分析

對(duì)23件軸承室進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)記錄見(jiàn)表3。

通過(guò)對(duì)23件軸承室進(jìn)行試驗(yàn)加工，得到零件均在設(shè)計(jì)要求的允許公差范圍內(nèi)，證明經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后的鏜刀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度加工。

表3 軸承座檢測(cè)記錄

7 結(jié)論

筆者針對(duì)某電機(jī)定子組件小直徑高精度軸承室加工過(guò)程中幾何公差要求高、加工難度大的情況，利用ANSYS Design Explorer模塊對(duì)鏜刀進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得出一組多目標(biāo)優(yōu)化后的鏜刀最優(yōu)參數(shù)，不但省去了大量的試驗(yàn)計(jì)算，而且使優(yōu)化結(jié)果更加精確。優(yōu)化后的鏜刀應(yīng)用于生產(chǎn)任務(wù)中，提高了零件加工精度，同時(shí)還降低了刀具的磨損率。