張文帥 王建軍 王 帥

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西部產(chǎn)教融合研究院 陜西咸陽(yáng) 712000）

渦旋壓縮機(jī)是一種創(chuàng)新型能源機(jī)械，因?yàn)槠渚哂懈咝Ч?jié)能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)和空氣壓縮等領(lǐng)域，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿1-2]。其關(guān)鍵部件渦旋盤由于壁薄，加工易變形，銑削尤為困難。銑削渦旋齒是一個(gè)方程曲面銑削過(guò)程，銑削熱和銑削力通常難以預(yù)判[3-4]。在變壁厚渦旋齒的銑削中，銑削用量的變化對(duì)渦旋齒的壁面質(zhì)量影響較大[5-6]。DEFORM3D是一款模擬材料成型的有限元軟件[7]。主要用于材料成型過(guò)程中金屬的塑性變形、銑削力和銑削熱的數(shù)據(jù)、刀具磨損的分析情況，為機(jī)械加工提供有效的參考依據(jù)[8]。文獻(xiàn)[9]建立了飛機(jī)框類零件的有限元模型，證明了有限元仿真可以一定程度上預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)加工，但沒(méi)有具體分內(nèi)圈GE段基圓漸開線銑削參數(shù)與預(yù)測(cè)加工變形的關(guān)析系。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]運(yùn)用有限元仿真預(yù)測(cè)了加工零件微尺度銑削過(guò)程，但缺乏銑削用量與加工質(zhì)量的關(guān)系分析。文獻(xiàn)[12]以直線刃銑削鋁合金導(dǎo)出銑削力和銑削熱，缺乏多刃銑削曲面的研究。文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]僅從銑削力的角度優(yōu)化銑削用量，缺乏銑削熱的研究。

本文通過(guò)DEFORRM-3D建立薄壁齒微尺寸銑削有限元模型，通過(guò)單因素變化分析第三變形區(qū)平均銑削力和銑削熱，優(yōu)化銑削參數(shù)，提高壁面質(zhì)量。

1 渦旋盤型線

以不同基圓半徑的圓漸開線構(gòu)建同一渦旋齒。法向等距線法[15]構(gòu)建型線。其方程如下：

外圈MF段基圓漸開線

內(nèi)圈段EC基圓漸開線

外圈FD段基圓漸開線

內(nèi)圈CB段基圓漸開線

外圈第DA段基圓漸開線

式中：a1，a2為組合型線的基圓半徑；Ror為回轉(zhuǎn)半徑；φ為型線展角。取a1=2.308 mm ，a2=3.326 mm ，Ror=4.04 mm ，φ1=2π、φ2=4π、φ3=6π。將式(1)～(6)通過(guò)pro/e曲線單元以“從方程”命令導(dǎo)入可得如圖1所示變截面渦旋齒型線。

圖1 渦旋齒型線圖

2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在銑削深度、銑削寬度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量中，改變其中一個(gè)銑削參數(shù)，限制其余三個(gè)銑削參數(shù)不變。導(dǎo)出改變的銑削參數(shù)第三變形區(qū)銑削熱和平均銑削力數(shù)據(jù)，分析單個(gè)銑削參數(shù)變化對(duì)加工質(zhì)量的影響。

3 DEFORM-3D的銑削建模

3.1 建立刀具和工件的幾何模型

在Mastercam軟件界面中，建立工件幾何模型如圖2(a)所示。因渦旋齒外圈壁最薄，在精銑過(guò)程中，易變形，且為了便于DEFORM-3D的模擬計(jì)算速度，現(xiàn)將銑削模型簡(jiǎn)化如圖2(b)所示。

圖2 銑削仿真幾何模型

3.2 劃分網(wǎng)格

幾何形狀復(fù)雜的工件，網(wǎng)格的劃分一方面有利于軟件模擬的可靠性，另一方面有利于快速得到仿真結(jié)果。對(duì)銑削模型進(jìn)行軟件自適應(yīng)劃分。接近銑刀方向設(shè)立為藍(lán)色細(xì)劃分，遠(yuǎn)離銑刀方向?yàn)榇謩澐?如圖3所示為劃分網(wǎng)格模型。

圖3 網(wǎng)格劃分模型

3.3 設(shè)置邊界條件

在熱交換環(huán)境中設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，依次固定渦旋齒底面，從X、Y、Z三個(gè)方向速度為0施加位移邊界條件。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 銑削參數(shù)對(duì)第三變形區(qū)溫度的影響

在前處理界面中取銑削深度ap=0.5 mm，轉(zhuǎn)速n=15000 r/min，銑削寬度ae=1mm，分別設(shè)置進(jìn)給量fz為 0.15 mm/r、0.2 mm/r、0.25 mm/r，檢查并生成數(shù)據(jù)，生成三個(gè)不同進(jìn)給量下的DB文件。模擬計(jì)算可得不同進(jìn)給量下銑削溫度場(chǎng)分布如圖4～6所示。當(dāng)進(jìn)給量fz=0.15 mm/r時(shí)，第三變形區(qū)最高溫度為799.532℃。進(jìn)給量fz=0.2 mm/r時(shí)，第三變形區(qū)最高溫度為 823.416℃。當(dāng)進(jìn)給量第三次增加到0.25 mm/r時(shí)，第三變形區(qū)內(nèi)的最高溫度為850.735℃。輸出數(shù)據(jù)可得如圖7(a)所示，當(dāng)進(jìn)給量增大5倍時(shí)，第三變形區(qū)最大銑削溫度約增大2倍。

圖4 進(jìn)給量0.15mm時(shí)銑削溫度場(chǎng)

圖5 進(jìn)給量0.2mm時(shí)銑削溫度場(chǎng)

圖6 進(jìn)給量0.25mm時(shí)銑削溫度場(chǎng)

圖7 銑削參數(shù)對(duì)第三變形區(qū)最大銑削溫度的影響

如圖 7（b）～(d）所示,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，第三變形區(qū)銑削溫度逐漸減小。銑削寬度和銑削深度增加時(shí)，第三變形區(qū)銑削溫度逐漸增大。因此可知進(jìn)給量對(duì)渦旋薄壁齒第三變形區(qū)銑削溫度影響最大，第三變形區(qū)是由于銑削過(guò)程中刀刃的鈍圓部分及后刀的擠壓、摩擦變形產(chǎn)生。擠壓和摩擦主要影響加工表面的質(zhì)量。因此首先選擇較小的進(jìn)給量對(duì)于降低第三變形區(qū)銑削溫度，提高渦旋齒的加工表面質(zhì)量有利，因此取進(jìn)給量fz=0.05 mm/r。

4.2 銑削力的分析

4.2.1 銑削力的仿真分析

在數(shù)控銑削零件中，銑削力相對(duì)于零件加工表面質(zhì)量影響最大，因此采用上述壁面銑削模型，以Fx方向和Fy方向變化最大的力為主銑削力，輸出數(shù)據(jù)。

4.2.2 銑削參數(shù)對(duì)平均銑削力的影響

采用上述銑削力仿真模型，在前處理界面改變銑削工藝參數(shù)，取主軸轉(zhuǎn)速n=15000 r/min，銑削寬度ae=1mm，進(jìn)給量fz=0.05 mm/r。輸出數(shù)據(jù)如圖8(a)所示，銑削深度從0.25 mm增加至2 mm時(shí)，平均銑削力Fx從 201.789 N 增加到 820.133 N，F(xiàn)y從170.169 N增加到490.156 N。即銑削深度增加8倍，F(xiàn)x增加約4.1倍，F(xiàn)y增加約2.9倍。

如圖 8(b)～ (d)所示，銑削參數(shù)中銑削深度增加時(shí)平均銑削力增加最為明顯，約增加至900 N，主軸轉(zhuǎn)速增加有利于減小平均銑削力，銑削寬度和銑削深度增加不利于減小銑削力。因此可知銑削深度相對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速、銑削寬度、進(jìn)給量而言影響最大。銑削力是影響渦旋齒面質(zhì)量的最主要因素，所以在選取銑削參數(shù)時(shí)，應(yīng)首要考慮選取較小的銑削深度以提高曲面加工質(zhì)量，因此取銑削深度ap=0.5 mm時(shí)最有益于壁面質(zhì)量的銑削。

圖8 銑削參數(shù)對(duì)平均銑削力的影響

4.2.3 銑削力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)安裝測(cè)力儀和數(shù)據(jù)采集器到數(shù)控銑床上，以計(jì)算機(jī)輸出銑削力瞬態(tài)數(shù)據(jù)。安裝四刃整體式立銑刀，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 9所示。分別取主軸轉(zhuǎn)速n=15000 r/min，銑削深度ap=0.5 mm，銑削寬度ae=1 mm，進(jìn)給量fz=0.05 mm/r銑削實(shí)際薄壁齒，采集實(shí)驗(yàn)銑削力，最后計(jì)算實(shí)驗(yàn)銑削力和仿真銑削力的相對(duì)誤差如表1所示。由表 1可知仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) Fx方向平均銑削力最大相對(duì)誤差在18.89% Fy方向平均銑削力最大相對(duì)誤差為11.82%，究其原因可能為實(shí)驗(yàn)和仿真的差異，如實(shí)際銑削時(shí)工件的的震動(dòng)、 開銑削液、數(shù)據(jù)采集誤差等因素均影響銑削力數(shù)據(jù)。但銑削力的變化趨勢(shì)與實(shí)際加工大體相同，因此利用DEFORM-3D銑削渦旋盤的銑削力數(shù)據(jù)可靠，能部分代替銑削實(shí)驗(yàn)。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置

表1 銑削力相對(duì)誤差

5 銑削參數(shù)選擇

通過(guò)仿真分析各銑削參數(shù)對(duì)第三變形區(qū)銑削溫度和平均銑削力兩個(gè)最重要影響表面加工質(zhì)量的因素。現(xiàn)取銑削深度ap=0.5 mm，進(jìn)給量fz=0.05 mm/r，銑削變截面渦旋齒，如圖10所示為銑削變截面渦旋齒，均能達(dá)到規(guī)定的加工精度。

圖10 變截面渦旋齒

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)造渦旋薄壁齒的銑削有限元模型，實(shí)時(shí)觀測(cè)渦旋薄壁齒的銑削狀態(tài)，以影響壁面質(zhì)量最大的第三變形區(qū)銑削溫度和平均銑削力作為影響因素，采集兩種數(shù)據(jù)并優(yōu)化銑削用量，最后驗(yàn)證銑削力的可靠性,為復(fù)雜曲面的銑削加工銑削用量的選擇提供一種新思路。