蔡榮賓,梁志強,陳 銳,吳時盛,趙聰敏,郝艷春,馬 悅,袁 昊

(1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司,株洲 412002；2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

0 引言

航空發(fā)動機作為飛機的核心部件，影響著飛機的可靠性和安全性[1]。其中發(fā)動機噴嘴是航空發(fā)動機的關(guān)鍵，其內(nèi)壁加工性能直接影響著燃油燃燒的效率[2]。某航空噴嘴副噴口采用9Cr18Mo馬氏體不銹鋼材料，其材料塑性變形大、導熱系數(shù)低，鉆削加工過程中切屑不易折斷分離并會堆積在鉆頭螺旋槽內(nèi)，使所加工的小孔形狀精度和表面質(zhì)量難以保證，嚴重影響了噴嘴的使用性能。

噴嘴加工用鉆削刀具的幾何結(jié)構(gòu)和加工工藝參數(shù)是影響切屑形成與流動、刀具磨損和小孔加工質(zhì)量的重要因素，因此近幾年國內(nèi)外學者對刀具的幾何結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)展開了廣泛的研究。郭海新等[3]利用DEFORM-3D軟件分析了非共軸螺旋后刀面微鉆的鋒角、鉆芯厚度和螺旋角對刀具鉆削性能的影響，優(yōu)化了鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過試驗證明了優(yōu)化了的刀具具有良好的鉆削性能。高興軍等[4]采用 ProE和DEFORM-3D軟件研究了麻花鉆橫刃和頂角對不銹鋼鉆削中鉆削力、扭矩和刀具磨損的影響，優(yōu)化了在麻花鉆結(jié)構(gòu)。張春梅等[5]利用ANSYS軟件分析了不同前角、后角和螺旋角對鉆尖最大應(yīng)力的影響規(guī)律，并通過試驗驗證了優(yōu)化后的鉆頭結(jié)構(gòu)強度和壽命均得到了改善。ZHENG等[6-7]探究了PCB板鉆削溫度和孔壁質(zhì)量與鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)和加工工藝參數(shù)之間的關(guān)系，并利用期望函數(shù)法獲得了最佳的刀具幾何參數(shù)。丁子昊等[8]利用AdvantEdge有限元軟件分析了噴油嘴鉆削工藝參數(shù)對切削力和切屑的影響規(guī)律，并利用MATLAB進行優(yōu)化設(shè)計，得到噴嘴鉆削加工最佳工藝參數(shù)組合。溫泉等[9]以碳纖維增強樹脂基復合材料去除率最大為優(yōu)化目標，建立了工藝參數(shù)優(yōu)化模型，獲得了最優(yōu)的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度。從刀具幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計到噴嘴加工工藝參數(shù)優(yōu)化是改善航空噴嘴副噴口加工質(zhì)量的重要方法，但是國內(nèi)外學者針對于9Cr18Mo馬氏體不銹鋼材料的專用鉆削刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工工藝參數(shù)優(yōu)化研究較少，欠缺針對難加工材料噴嘴的加工質(zhì)量提高的研究指導。

因此，為了開展9Cr18Mo馬氏體不銹鋼航空噴嘴副噴口加工用鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)和加工工藝參數(shù)優(yōu)化，本文首先構(gòu)建了鉆削刀具的數(shù)學模型，并基于UG和MATLAB軟件對不同結(jié)構(gòu)刀具進行了三維實體建模，采用DEFORM-3D有限元仿真軟件，建立了三維鉆削有限元仿真模型，研究了鋒角、芯徑比和螺旋角等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速和進給量等噴嘴加工工藝參數(shù)對切屑形態(tài)、切削溫度和鉆削力的影響規(guī)律，進行了刀具幾何結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)優(yōu)化，并通過鉆削試驗驗證了有限元仿真結(jié)果的準確性。

1 刀具幾何模型與鉆削仿真模型的構(gòu)建

1.1 鉆削刀具數(shù)學模型

為了精確反映實際刃磨制備出的鉆削刀具的幾何結(jié)構(gòu)特征，基于鉆頭螺旋槽和后刀面的刃磨原理，建立鉆削刀具螺旋槽和后刀面數(shù)學模型。

(1)螺旋槽數(shù)學模型

螺旋槽是由砂輪和刀具的相對螺旋運動形成的，砂輪繞其軸線旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成切削主運動，鉆削刀具以一定的角速度和線速度繞其軸線旋轉(zhuǎn)和平移，構(gòu)成螺旋運動。螺旋槽的包絡(luò)軌跡[10]為：

(1)

(2)后刀面數(shù)學模型

刀具后刀面在刀具坐標系Od-XdYdZd中的方程[11]可表示為：

(2)

式中，Xa=Xdcosβ-Ydsinβ；Ya=Ydcosβ+Xdsinβ；θ、β、φ、B、H為后刀面的刃磨參數(shù)。

1.2 鉆削仿真模型

(1)刀具和工件幾何模型的建立

基于螺旋槽和后刀面的數(shù)學模型，利用MATLAB仿真軟件，對螺旋槽截形及后刀面進行求解，通過式(1)確定包絡(luò)曲線的數(shù)值解，從而獲得螺旋槽橫形數(shù)值點集，通過式(2)獲得后刀面刃磨參數(shù)，并整理成.dat文件。采用UG三維建模軟件輸入上述.dat文件，建立鉆削刀具的三維實體模型，如圖1所示。

圖1 鉆削刀具實體三維模型

在鉆削仿真過程中，為了快速達到穩(wěn)定鉆削階段、減小仿真計算時間，工件模型為帶有錐面的圓柱體，其錐面由鉆削刀具切削刃掃掠形成，刀具模型僅包含參與切削的刀尖部位。其中，鉆削刀具設(shè)置為剛體，材料為鈷含量15%的硬質(zhì)合金；工件設(shè)置為彈塑性變形體，材料為9Cr18Mo馬氏體不銹鋼，刀具和工件材料直接從DEFORM-3D材料庫中調(diào)用。

(2)網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用整體粗化，局部細化的方法，即對工件的被切削區(qū)域和刀具切削刃部分進行網(wǎng)格細化，其它不參與鉆削的部分采取較大網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的鉆削仿真模型如圖2所示，鉆頭和工件的網(wǎng)格尺寸比設(shè)置為4。

圖2 鉆削仿真的網(wǎng)格劃分

(3)邊界條件和仿真控制參數(shù)設(shè)置

邊界條件的設(shè)置如圖3所示，在工件的圓柱面上施加固定約束，即將工件底面三個方向速度均設(shè)置為0。設(shè)定環(huán)境溫度為20 ℃，對流的系數(shù)是0.02 N/sec/mm/C，熱導系數(shù)是45 N/sec/mm/C，摩擦系數(shù)定義為常量0.7(干鉆削)，摩擦類型定義為剪切摩擦。斷裂準則選擇延伸斷裂準則，即通過比較材料的最大破壞值與臨界值來判斷材料是否能夠斷裂。刀具的磨損模型設(shè)定為適合于金屬切削的Usui模型[12]。

圖3 邊界條件設(shè)置

最后設(shè)置仿真控制參數(shù)，本仿真中設(shè)置仿真總步數(shù)為1000步，時間步長為刀具旋轉(zhuǎn)1 rad所需要的時間，步數(shù)增量設(shè)置為25步，設(shè)定鉆削深度為1 mm作為仿真運行的停止條件。

2 鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真試驗設(shè)計

鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鋒角、芯徑比、螺旋角、橫刃斜角和后角等參數(shù)，如圖4所示。

圖4 鉆削刀具整體結(jié)構(gòu)示意圖

鋒角、芯徑比和螺旋角對刀具的鉆削性能影響很大。鋒角2ρ的大小直接影響著主切削刃的長度以及主切削刃上前角和主偏角的大小。螺旋角β0與切削刃的前角緊密相關(guān)，影響著鉆頭的排屑能力。芯厚2t的大小是鉆削力的重要影響因素，并決定著鉆頭的剛度和強度以及排屑性能。

對于整體硬質(zhì)合金麻花鉆，鋒角、芯徑比和螺旋角的取值范圍一般為100°～140°、0.2～0.4、20°～40°?；谡辉囼灧椒?，對鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，對三個因素各取三個水平值，如表1所示。

表1 鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化因素水平表

2.2 鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真試驗結(jié)果分析

(1)切屑形態(tài)

當鉆削深度為0.2 mm時，不同鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)下的切屑形態(tài)仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著芯徑比的增加，鉆芯厚度增大，主切削刃的長度變短，因此切屑寬度變小，切屑變形程度增加，切屑的卷曲半徑變小，試驗3、試驗6、試驗9(芯徑比為0.4時)的切屑卷曲半徑明顯小于其它組試驗；隨著螺旋角的增大，切屑沿主切削刃各點流動速度梯度降低，造成切屑的側(cè)卷和上卷趨勢減弱，切屑軸線與鉆頭軸線夾角變小。

(a) 2ρ=100°,2t/d=0.2,β0=20° (b) 2ρ=100°,2t/d=0.3,β0=30°

(c) 2ρ=100°,2t/d=0.4,β0=40° (d) 2ρ=120°,2t/d=0.2,β0=30°

(e) 2ρ=120°,2t/d=0.3,β0=40° (f) 2ρ=120°,2t/d=0.4,β0=20°

(g) 2ρ=140°,2t/d=0.2,β0=40° (h) 2ρ=140°,2t/d=0.3,β0=20°

(i) 2ρ=140°,2t/d=0.4,β0=30°

(2)鉆削力

對鉆削過程穩(wěn)定階段的軸向力和扭矩取平均值，基于Minitab軟件，采用極差分析方法，分析鋒角、芯徑比和螺旋角對鉆頭的鉆削力的影響順序，極差分析結(jié)果如表2所示，相應(yīng)的均值主效應(yīng)圖如圖6和圖7所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)鉆頭的鉆削軸向力和扭矩仿真結(jié)果

由極差分析結(jié)果可知，軸向力極差RB>RC>RA，說明影響因素主次順序為：芯徑比>螺旋角>鋒角；而對于扭矩，影響因素主次順序為：芯徑比>鋒角>螺旋角。

圖6 鉆削力的均值主效應(yīng)圖 圖7 扭矩的均值主效應(yīng)圖

在所選參數(shù)范圍內(nèi)，隨著鋒角的增大，主切削刃前角增大，并增大了切削厚度，減小了切削寬度，因此軸向力增大而扭矩降低。隨著芯徑比的增大，軸向力、扭矩均大幅度增大。這是由于隨著芯徑比的增大，橫刃上有效切削的長度增大，螺旋槽的排屑空間減小，因此切屑的摩擦作用增加，導致軸向力和扭矩增大。隨著螺旋角的增大，主切削刃的前角增大，切削刃更加鋒利，將有效降低鉆削力。

根據(jù)軸向力的仿真結(jié)果，鉆頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：鋒角100°、芯徑比0.2、螺旋角40°；根據(jù)扭矩的仿真結(jié)果，鉆頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：鋒角140°、芯徑比0.2、螺旋角40°。由仿真結(jié)果分析可知，當螺旋角增大為40°時，切屑軸線與鉆頭軸線夾角較小，切屑容易纏繞在刀體上，造成鉆頭的斷裂。因此，綜合考慮鉆頭排屑能力和鉆削力的前提下，選擇鉆頭的螺旋角為30°。鋒角對軸向力的影響規(guī)律與對扭矩的影響規(guī)律相反，所以綜合考慮選擇鋒角為120°。綜合上述仿真試驗結(jié)果，鉆頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：鋒角120°、芯徑比0.2、螺旋角30°。

3 鉆削刀具工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 鉆削工藝參數(shù)仿真試驗設(shè)計

鉆削過程是一個復雜的半封閉式的非自由斜角切削過程，鉆削工藝參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速和進給速度是影響鉆削力、鉆削溫度和切屑形態(tài)的重要因素?；贒EFORM-3D有限元仿真軟件來模擬9Cr18Mo馬氏體不銹鋼噴嘴的鉆削加工過程，其中鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)采用上述優(yōu)化后的刀具結(jié)構(gòu)，即鋒角120°、芯徑比0.2、螺旋角30°。為了能夠使用合理的試驗次數(shù)得到較為準確的試驗結(jié)果，本仿真試驗采用單因素試驗的方法，研究轉(zhuǎn)速和進給量對鉆削加工9Cr18Mo材料的影響規(guī)律。具體的試驗方案如表3所示。

表3 鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化試驗方案

3.2 鉆削工藝參數(shù)仿真試驗結(jié)果分析

(1) 切屑形態(tài)

如圖8所示為不同主軸轉(zhuǎn)速在鉆削深度為0.15 mm時，鉆削加工切屑形態(tài)的仿真結(jié)果?？梢钥闯觯鱾€主軸轉(zhuǎn)速條件下的切屑形態(tài)和變形程度基本一致，工件最大有效應(yīng)變值變化不大，因此在所選轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速對鉆削過程中的切屑形態(tài)無明顯影響。如圖9所示，為不同進給量在鉆削深度為0.06 mm時的切屑形態(tài)仿真結(jié)果。在所選進給量范圍內(nèi)，隨著進給量的降低，切屑的有效應(yīng)變逐漸增加，即切屑變形程度增加。這是由于隨著進給量的降低，材料去除主要以擠壓變形為主，使得工件的有效應(yīng)變顯著增加。因此，單獨考慮切削形態(tài)的影響，在所優(yōu)化的參數(shù)范圍內(nèi)，進給量應(yīng)該盡可能選擇較小的值。

(a) n=8000 r/min (b) n=10 000 r/min (c) n=12 000 r/min (d) n=14 000 r/min

(a) fr=0.02 mm/r (b) fr=0.04 mm/r (c) fr=0.06 mm/r (d) fr=0.08 mm/r

(2) 鉆削溫度

如圖10所示，為刀具后刀面鉆削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速和進給量變化的關(guān)系圖。

(a) 主軸轉(zhuǎn)速與鉆削溫度關(guān)系(b) 進給量與鉆削溫度關(guān)系

由圖所知，鉆削刀具后刀面溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速和進給量的增大而增大。這是因為無論是主軸轉(zhuǎn)速還是進給量的增加，單位時間的鉆削量都會提高，則單位時間鉆削刀具做的功增加，造成刀具溫度的增加。因此，單獨考慮鉆削溫度的影響，在所優(yōu)化的參數(shù)范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速和進給量因盡可能選擇最小的值。

(3) 鉆削力

如圖11和圖12分別為不同主軸轉(zhuǎn)速和進給量下的鉆削力仿真結(jié)果。

(a) 主軸轉(zhuǎn)速與軸向力關(guān)系 (b) 主軸轉(zhuǎn)速與扭矩關(guān)系

(a) 進給量與軸向力關(guān)系(b) 進給量與扭矩關(guān)系

主軸轉(zhuǎn)速的增加，則鉆削刀具的每齒進給量降低，導致軸向力降低，而轉(zhuǎn)速增加又會造成刀具與工件接觸次數(shù)增加，造成扭矩的增大。進給量的增大，則會造成單位時間內(nèi)，鉆削刀具做功增加，導致切削力和扭矩均增大。因此，單獨考慮鉆削力的因素，在所優(yōu)化的參數(shù)范圍內(nèi)，鉆削主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)該選擇10 000～12 000 r/min，進給量應(yīng)選擇盡可能小的進給量。

4 鉆削試驗驗證

為了驗證所優(yōu)化的鉆削加工參數(shù)下的鉆削性能，基于DMG五軸數(shù)控加工中心，對9Cr18Mo馬氏體不銹鋼進行鉆削試驗研究，試驗裝置和試驗中使用的鉆削刀具如圖13所示。

圖13 DMG加工中心鉆削試驗裝置及鉆削刀具

該鉆削刀具的鉆尖幾何參數(shù)為鋒角120°、芯徑比0.2、螺旋角30°。鉆削試驗方案和仿真方案保持一致，如表3所示。

鉆削試驗所加工的小孔形貌如圖14所示。

(a) n=8000 r/min, fr=0.08 mm/r (b) n=10 000 r/min, fr=0.08 mm/r (c) n=12 000 r/min, fr=0.08 mm/r

(d) n=14 000 r/min, fr=0.08 mm/r (e) n=10 000 r/min, fr=0.06 mm/r (f) n=10 000 r/min, fr=0.04 mm/r

(g) n=10 000 r/min,fr=0.02 mm/r

采用三維激光掃描顯微鏡Keyence VK-X100對小孔形貌進行觀察和分析，可以看出進給量越小，小孔具有越小的入口毛刺和規(guī)則的形狀，在主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，進給量為0.02 mm/r時，鉆孔質(zhì)量最好。為了定量分析小孔的加工質(zhì)量，采用如圖15所示的測量方式對小孔進行圓度誤差測量。

圖15 鉆削孔圓度誤差測量方法

通過測量和比較4個方向的小孔直徑D1、D2、D3、D4的大小，取圓度誤差為Dmax-Dmin，將7組實驗的圓度誤差值統(tǒng)計，如圖16所示。

(a) 主軸轉(zhuǎn)速與圓度誤差關(guān)系 (b) 進給量與圓度誤差關(guān)系圖16 不同工藝參數(shù)下的圓度誤差試驗結(jié)果

圓度誤差隨主軸轉(zhuǎn)速增加有降低的趨勢，隨著進給量的增加而增加，并且在主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，進給量0.02 mm/r時，圓度誤差達到最小值，與仿真結(jié)果的最優(yōu)參數(shù)基本一致，驗證了仿真優(yōu)化的工藝參數(shù)準確性。

5 結(jié)論

針對9Cr18Mo馬氏體不銹鋼材料航空發(fā)動機噴油嘴上小孔加工質(zhì)量控制問題，基于DEFORM-3D有限元仿真軟件，開展鉆削刀具幾何結(jié)構(gòu)與加工工藝參數(shù)仿真研究，并通過鉆削試驗對優(yōu)化后的刀具進行工藝參數(shù)驗證，得出如下結(jié)論：

(1)刀具結(jié)構(gòu)對軸向力影響的顯著程度為：芯徑比>螺旋角>鋒角；而對于扭矩影響的顯著程度為：芯徑比>鋒角>螺旋角。

(2)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切屑形態(tài)無明顯變化，軸向力逐漸降低，而扭矩增大，鉆削溫度明顯升高；隨著進給量的降低，切削變形程度增加，鉆削溫度、軸向力和扭矩均明顯降低。

(3)綜合考慮鉆頭排屑能力和鉆削力的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：鋒角120°、芯徑比0.2、螺旋角30°；鉆削試驗結(jié)果表明在主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，進給量0.02 mm/r時，所加工小孔入口側(cè)具有較小的毛刺且圓度誤差最小，與仿真結(jié)果的最優(yōu)參數(shù)一致。