劉 輝,王蔚鴻,吳玉國,江海濱,時(shí)禮平,2,3
(1.安徽工業(yè)大學(xué) 安徽馬鞍山 243032;2.特種服役環(huán)境的智能裝備制造國際科技合作基地 安徽馬鞍山 243032;3.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽馬鞍山 243032;4.安慶中船柴油機(jī)有限公司 安徽安慶 246005)
在鉆削加工過程中,切削力不僅引起鉆頭產(chǎn)生高溫而軟化,而且也造成鉆頭磨損深度增加,進(jìn)而影響鉆頭使用壽命[1]。因此,本文對(duì)影響鉆削加工中鉆頭溫度及磨損深度的三個(gè)因素(進(jìn)給量、鉆頭轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度)進(jìn)行比較分析。
針對(duì)鉆頭溫度的檢測及鉆頭磨損問題,國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究。靳偉賀[2]利用Deform-3D分析材料與加工方式對(duì)BTA單管鉆磨損深度的影響,結(jié)果表明:降低材料強(qiáng)度與振動(dòng)鉆削均有利于減少刀具磨損;戴蓉蓉[3]等利用Deform-3D軟件模擬自鎖式可換頭鉆頭鉆削過程,分析其磨損特性,結(jié)果表明:進(jìn)給量對(duì)鉆頭磨損影響最大;董智偉[4]利用ABAQUS軟件模擬微織構(gòu)刀具加工過程,考察微織構(gòu)對(duì)切削力及切削溫度的影響,并與無織構(gòu)刀具加工進(jìn)行比較,研究表明:鉆削前刀面宜采用微織構(gòu),后刀面不宜采用微織構(gòu);劉英魁[5]等提出PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)切削液流量的方法,實(shí)現(xiàn)智能控制切削液溫度的變化;陳文成[6]等通過數(shù)學(xué)建模和仿真分析研究CFRC不同纖維方向角θ處切削形式,分析其對(duì)鉆削溫度的影響,得θ=0°處鉆削溫度的升高量最低。
國內(nèi)學(xué)者對(duì)鉆削方面的研究越來越深入,但針對(duì)工況參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化研究較少。鑒于此,本文利用有限元軟件Deform-3D對(duì)BTA單管鉆鉆削加工過程中的鉆頭溫度及磨損深度進(jìn)行模擬分析,運(yùn)用方差分析法考察進(jìn)給量、鉆頭轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度三種因素對(duì)鉆頭溫度、鉆頭磨損深度影響的顯著性次序,為BTA單管鉆工況參數(shù)的選取提供參考與借鑒。
加工過程中,鉆頭和工件的溫度場一直處于不穩(wěn)定狀態(tài),其溫度隨著鉆頭的深入持續(xù)升高,根據(jù)傳熱與傳質(zhì)基本原理中能量守恒和傅里葉公式,建立微分方程[7]。
(1)
其中,q(x,y,z)為熱流密度,T為溫度,ρ、c為工件的密度和熱容,kx、ky、kz為各坐標(biāo)方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。
Usui磨損模型主要運(yùn)用于連續(xù)鉆削加工仿真中,在金屬鉆削加工中具有良好的表現(xiàn),建立鉆頭磨損量計(jì)算公式[8]。
(2)
其中,w為磨損體積,p為接觸壓力,V為工件與鉆頭之間滑動(dòng)速度,a、b為校正因子,系數(shù)a為0.0000001,系數(shù)b為855。
采用Solidworks軟件對(duì)BTA單管鉆進(jìn)行三維造型,并將文件存為STL格式,以便導(dǎo)入Deform-3D有限元軟件中,BTA單管鉆加工有限元模型,如圖1。
圖1 BTA單管鉆加工有限元模型
為節(jié)省模擬運(yùn)算時(shí)間,簡化BTA單管鉆模型,如圖2。鉆頭材料選用抗振動(dòng)、抗沖擊、高強(qiáng)度、耐磨性好的WC基硬質(zhì)合金,其物理特性如表1所示。利用游標(biāo)卡尺和顯微鏡測得主要幾何參數(shù),BTA單管鉆刃形圖如圖3, BTA單管鉆幾何參數(shù)見表2,其中內(nèi)齒長度為a,中齒長度為b,外齒長度為c,內(nèi)齒角度為α,中齒角度為β。
圖2 簡化BTA單管鉆
圖3 BTA單管鉆刃形圖
表1 WC基硬質(zhì)合金物理特性
表2 BTA單管鉆幾何參數(shù)
2.3.1 前處理
在Deform-3D軟件的前處理界面,點(diǎn)擊國際單位制(SI),機(jī)械加工類型為鉆削,對(duì)鉆頭及工件無需進(jìn)行冷卻,鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min,進(jìn)給量為0.20 mm/r,環(huán)境溫度為10 ℃,摩擦系數(shù)為0.3,熱傳導(dǎo)率為30 N/sec/mm/℃[9]。使用相對(duì)網(wǎng)格劃分鉆頭,網(wǎng)格數(shù)量為20000;在Deform-3D軟件中建立工件模型,使用絕對(duì)網(wǎng)格劃分工件,網(wǎng)格單元尺寸為0.05 mm。
2.3.2 設(shè)定邊界條件
表3 工藝參數(shù)因素水平表
設(shè)置仿真模擬步數(shù)為30000,每隔25步保存一次數(shù)據(jù),為了防止模擬運(yùn)算過程中工件移動(dòng)和鉆頭發(fā)生偏移,沿著-Z軸方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其余方向?yàn)?[10]。檢查參數(shù)設(shè)置,生成DB文件,進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算。
以鉆頭溫度、鉆頭磨損深度為考察指標(biāo),以鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和環(huán)境溫度為考察因素,利用SPSS23.0軟件設(shè)計(jì)三因素(因素A:進(jìn)給量;因素B:鉆頭轉(zhuǎn)速;因素C:環(huán)境溫度)四水平L16(43)正交試驗(yàn),如表3。利用Deform-3D軟件分析表4中16組試驗(yàn)方案,得到鉆頭溫度和鉆頭磨損深度。
表4 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果
(a)t=0.01 s (b)t=0.71 s(c)t=1.56 s (d)t=2.31 s(e)t=3.42 s (f)t=4.06 s圖4 BTA單管鉆溫度分布圖
3.1.1 鉆頭溫度變化規(guī)律
一般刀具在加工時(shí),切屑會(huì)帶走80%的切削熱量,而鉆削加工只能帶走40%的切削熱量,大部分熱量傳到刀具與工件上,刀具占切削熱的比例較大,擴(kuò)散遲,易過熱,須采用強(qiáng)制有效的冷卻方式降溫[11]。在進(jìn)給量為0.20 mm/r,鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min,環(huán)境溫度為10℃,摩擦系數(shù)為0.3,熱傳導(dǎo)率為30 N/sec/mm/℃的條件下,利用Deform-3D有限元數(shù)值模擬查看仿真時(shí)間分別為0.01、0.71、1.56、2.31、3.42、4.06 s時(shí),鉆頭溫度場分布狀況,結(jié)果如圖4。分析圖4可知,鉆削初期,鉆頭最高溫度出現(xiàn)在鉆頭前刀面與切屑之間和鉆頭的后刀面與工件之間,這是由于鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)過程中,鉆頭與切屑、工件相接觸,產(chǎn)生大量的切削熱,刀刃與工件之間的接觸面積較小,摩擦比較嚴(yán)重,在密閉的加工環(huán)境中,鉆削熱量不易排出,故鉆頭的最高溫度也逐漸升高。溫度穩(wěn)定后,即鉆頭部分進(jìn)入工件后,鉆頭最高溫度主要出現(xiàn)在刀刃處。鉆頭最高溫度與時(shí)間之間的關(guān)系,如圖5。分析圖5可知,當(dāng)鉆削時(shí)間到0.01 s時(shí),鉆頭最高溫度為68.6 ℃,鉆頭剛開始與工件接觸,向鉆頭傳遞的熱量并不多,鉆頭最高溫度僅比未加工時(shí)溫度高48.6 ℃;當(dāng)鉆削時(shí)間到0.71 s時(shí),鉆頭最高溫度為173 ℃,鉆頭與工件間溫度差較大,在鉆削加工過程中,隨著鉆頭溫度增加,鉆頭磨損深度增大 ;當(dāng)鉆削時(shí)間到1.56 s時(shí),鉆頭最高溫度為216 ℃,此時(shí)鉆頭平穩(wěn)的對(duì)工件進(jìn)行加工,鉆頭最高溫度的變化開始趨于平緩。
t/s 圖5 鉆頭最高溫度與時(shí)間的關(guān)系
3.1.2 鉆頭磨損深度變化規(guī)律
在進(jìn)給量為0.20 mm/r,鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min,
環(huán)境溫度為10 ℃,摩擦系數(shù)為0.3,熱傳導(dǎo)率為30 N/sec/mm/℃的條件下,利用Deform-3D有限元數(shù)值模擬查看仿真時(shí)間分別為0.01、0.71、1.56、2.31、3.42、4.06 s時(shí),鉆頭磨損深度分布狀況,結(jié)果如圖6。分析圖6可知,在鉆削加工初期,鉆頭最大磨損深度隨著時(shí)間的增加逐漸增大,鉆頭磨損區(qū)域靠近切削刃,最大磨損深度靠近鉆尖。這是由于鉆尖與切屑和工件之間發(fā)生了摩擦和擠壓,隨著鉆削溫度與接觸區(qū)域的壓力的不斷增加,鉆頭磨損不斷積累,磨損深度進(jìn)一步增大。溫度穩(wěn)定后,鉆頭最大磨損深度主要出現(xiàn)在刀刃處。鉆頭最大磨損深度與時(shí)間之間的關(guān)系,如圖7。分析圖7可知,當(dāng)鉆削時(shí)間到0.01 s時(shí),鉆頭最大磨損深度為0.00129 mm,鉆頭與工件剛發(fā)生接觸,鉆頭磨損深度并不大;當(dāng)鉆削時(shí)間到0.71 s時(shí),鉆頭最大磨損深度為0.00551 mm,鉆頭磨損嚴(yán)重部分發(fā)生在溫度較高的切削刃附近,致使鉆頭磨損深度急劇增大;當(dāng)鉆削時(shí)間到1.56 s時(shí),鉆頭磨損深度的變化趨于平緩,此時(shí)鉆頭最大磨損深度為0.00788 mm,這是由于隨著鉆削時(shí)間的增加,鉆頭逐漸進(jìn)入工件,切屑與刀刃的接觸越來越多,故鉆頭磨損深度也逐漸增大。同時(shí)隨著切削溫度的升高,鉆頭磨損深度增大,磨損區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
(a) t=0.01 s
t/s 圖7 鉆頭最大磨損深度與時(shí)間的關(guān)系
3.2 工件溫度變化規(guī)律
在進(jìn)給量為0.20 mm/r,鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min,環(huán)境溫度為10 ℃,摩擦系數(shù)為0.3,熱傳導(dǎo)率為30 N/sec/mm/℃的條件下,利用Deform-3D有限元數(shù)值模擬查看仿真時(shí)間分別為0.01、0.71、1.56、2.31、3.42、4.06 s時(shí),工件溫度分布狀況,結(jié)果如圖8。分析圖8可知,鉆削溫度分布于以鉆頭軸線為軸的圓柱體鉆削區(qū)域內(nèi),并由于熱傳導(dǎo)的原因向四周擴(kuò)散,鉆頭鉆削區(qū)域相對(duì)于未鉆削區(qū)域溫度較高,隨著鉆削深度的增加,鉆削區(qū)域溫度明顯升高,并且最高溫度都分布在孔壁位置。這是因?yàn)殂@頭在鉆削過程中,鉆頭后刀面與孔壁接觸產(chǎn)生大量的切削熱,故孔壁的溫度較高。
(a)t=0.01 s
t/s 圖9 環(huán)境溫度對(duì)鉆頭最大磨損深度的影響
在進(jìn)給量為0.20 mm/r,鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min,摩擦系數(shù)為0.3的條件下,選取環(huán)境溫度分別為5、15、25、40 ℃進(jìn)行鉆削仿真,在后處理器里提取鉆頭最大磨損深度數(shù)據(jù),得到每個(gè)環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的鉆頭最大磨損深度變化曲線如圖9。分析圖9可知,當(dāng)進(jìn)給量與鉆頭轉(zhuǎn)速一定時(shí),可見四種環(huán)境溫度下鉆頭磨損深度隨時(shí)間的變化規(guī)律大體相同,表明鉆頭磨損受環(huán)境溫度的影響較小。在開始階段,摩損深度從零點(diǎn)迅速升高,在1.5 s左右達(dá)到某一穩(wěn)定值。
利用SPSS23.0軟件對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,以確定試驗(yàn)因素對(duì)鉆頭最高溫度和鉆頭最大磨損深度影響的顯著性。分析表5可得,因素A的顯著值為0.041,因素B的顯著值為0.013,而因素C的顯著值為0.250。因此試驗(yàn)反應(yīng)體系下進(jìn)給量與鉆頭轉(zhuǎn)速同為影響反應(yīng)的主要因素,鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)鉆頭溫度的顯著性高于進(jìn)給量,環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小,則各因素對(duì)鉆頭溫度影響的主次順序?yàn)锽(鉆頭轉(zhuǎn)速)>A(進(jìn)給量)>C(環(huán)境溫度)。分析表6可得,鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)鉆頭磨損深度的影響較顯著(p=0.008),其次是進(jìn)給量(p=0.014),最后是環(huán)境溫度(p=0.083)。
表5 鉆頭溫度方差分析
表6 鉆頭磨損深度方差分析
水平 圖10 各因素不同水平對(duì)鉆頭最高溫度影響曲線圖
根據(jù)表4數(shù)值模擬所得的結(jié)果,繪制不同因素水平對(duì)鉆頭最高溫度的影響曲線圖,如圖10。從圖10可以看出,進(jìn)給量與鉆頭最高溫度呈正相關(guān)關(guān)系,即進(jìn)給量越大,鉆頭最高溫度越高;鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆頭最高溫度之間整體上呈正相關(guān)關(guān)系,隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加,鉆頭最高溫度先急劇增加后趨于平緩;環(huán)境溫度對(duì)鉆頭最高溫度的影響較小,這是由于在密閉條件下,鉆削過程中產(chǎn)生的熱量向周圍環(huán)境的散熱效果降低,導(dǎo)致環(huán)境溫度的改變對(duì)鉆頭最高溫度的影響較??;在鉆削加工過程中,鉆孔速度(鉆頭轉(zhuǎn)速×進(jìn)給量)是決定鉆頭溫度變化的主要因素。鉆孔速度越大,鉆頭最高溫度越大,反之鉆頭最高溫度越小。
水平 圖11 各因素不同水平對(duì)鉆頭最大磨損深度影響曲線圖
根據(jù)表4數(shù)值模擬所得的結(jié)果,繪制不同因素水平對(duì)鉆頭最大磨損深度的影響曲線圖,如圖11。從圖11可以看出,進(jìn)給量、鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆頭最大磨損深度呈近似線性關(guān)系,隨著進(jìn)給量、鉆頭轉(zhuǎn)速的增大,鉆頭最大磨損深度均逐漸增大;在鉆削加工過程中,鉆孔速度對(duì)鉆頭最大磨損深度影響很大,隨著鉆孔速度增大,鉆頭最大磨損深度增大,反之鉆頭最大磨損深度減小。
本文基于Deform-3D有限元軟件對(duì)BTA單管鉆鉆削加工模擬仿真,考察進(jìn)給量、鉆頭轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度三種因素對(duì)鉆頭溫度與鉆頭磨損深度的影響,主要結(jié)論如下。
(1)鉆削初期,鉆頭最高溫度出現(xiàn)在鉆頭前刀面與切屑之間和鉆頭的后刀面與工件之間;溫度穩(wěn)定后,即鉆頭部分進(jìn)入工件后,鉆頭最高溫度主要出現(xiàn)在刀刃處;鉆孔速度是決定鉆頭溫度變化的主要因素,鉆孔速度越大,鉆頭最高溫度越大,反之鉆頭最高溫度越小。
(2)鉆削加工初期,鉆頭最大磨損深度隨著時(shí)間的增加逐漸增大,鉆頭磨損區(qū)域靠近切削刃,最大磨損深度靠近鉆尖;溫度穩(wěn)定后,鉆頭最大磨損深度主要出現(xiàn)在刀刃處;鉆孔速度對(duì)鉆頭最大磨損深度影響很大,隨著鉆孔速度增大,鉆頭最大磨損深度增大,反之鉆頭最大磨損深度減小。
(3)三種因素對(duì)鉆頭溫度與鉆頭磨損深度的影響的顯著性次序依次為:鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、環(huán)境溫度。