趙星星，周利平，劉小瑩，彭路貴，陳楊

1西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2成都醫(yī)學(xué)院；3成都鋒宜精密工具制造有限公司

1 引言

在機(jī)械加工中，孔加工約占1/3，而其中鉆削加工約占1/4[1，2]，近幾年，由于成本控制的需要，孔鉆削工具逐漸由整體式硬質(zhì)合金刀具轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳Q鉆頭?，F(xiàn)有常見(jiàn)的單個(gè)可換鉆頭的加工孔徑一般為8～28mm，在風(fēng)電、船舶、盾構(gòu)機(jī)等重型機(jī)械企業(yè)，加工零件的孔徑一般大于28mm。為降低零件大孔徑加工的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)某知名刀具生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)改進(jìn)單個(gè)可換鉆頭結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)加工大孔徑的復(fù)合可換鉆頭，該鉆頭主要由硬質(zhì)合金中心鉆體、硬質(zhì)合金刀片和工具鋼刀桿三部分組成，是一款鉆-擴(kuò)復(fù)合的新型可換鉆頭。在大孔徑零件加工過(guò)程中，孔壁表面加工質(zhì)量差或達(dá)不到加工技術(shù)要求會(huì)導(dǎo)致整個(gè)零件報(bào)廢[3]，這對(duì)于價(jià)格昂貴的大型件加工來(lái)說(shuō)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在改變復(fù)合可換鉆頭刀頭部分的參數(shù)(即中心鉆與刀片中心孔的高度差和邊刀片0°后角長(zhǎng)度)后，切削力和扭矩減小，能提高刀具在加工中的穩(wěn)定性，進(jìn)而改善孔表面加工質(zhì)量。為了進(jìn)一步解決大孔徑加工表面質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，采用極差分析法對(duì)復(fù)合可換鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 復(fù)合可換鉆頭特點(diǎn)

2.1 三維模型

復(fù)合可換鉆頭如圖1所示，由硬質(zhì)合金中心鉆體、硬質(zhì)合金刀片和工具鋼刀桿組成。其中，兩個(gè)邊刀片通過(guò)螺釘緊固在刀桿上的刀片槽中，中心鉆通過(guò)自鎖結(jié)構(gòu)以過(guò)盈配合的方式與刀桿連接。復(fù)合可換鉆頭具有一定的互換性，即同樣一根刀桿在加工尺寸略有差異的內(nèi)孔時(shí)可以直接更換同型號(hào)或者同系列相鄰型號(hào)的中心鉆和邊刀片，從而組合加工不同尺寸的孔，以減少更換刀桿的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

(a)硬質(zhì)合金中心鉆體

2.2 復(fù)合可換鉆頭裝配原理和方式

復(fù)合可換鉆頭由中心鉆體、刀片和刀桿三部分組成。首先將刀片裝入刀片槽中并通過(guò)螺釘緊固(圖中螺釘部分未顯示)，將中心鉆裝入刀桿(見(jiàn)圖2)，此時(shí)中心鉆與刀桿鎖緊面無(wú)接觸，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)中心鉆，第一接觸面與刀桿接觸面形成過(guò)盈接觸，第二接觸面與刀桿接觸面為非過(guò)盈接觸，直到完全契合鉆頭形成自鎖(見(jiàn)圖3)。

圖2 扭動(dòng)初始位置

圖3 刀頭完成自鎖

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 刀具與工件

復(fù)合可換鉆頭的中心鉆體外徑尺寸d=18mm，選擇WOMT100308系列刀片，復(fù)合可換鉆頭外徑D=39mm；刀頭部分的硬質(zhì)合金材料牌號(hào)為K200，主要化學(xué)成分為WC(90%)和Co(10%)，加工工件材料為42CrMoV，化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 42CrMoV化學(xué)成分 (%)

表2 42CrMoV力學(xué)性能

3.2 鉆削實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，鉆頭的鉆削參數(shù)為轉(zhuǎn)速1200r/min，進(jìn)給量0.65mm/r。圖4中，A代表中心鉆鉆尖與刀片中心孔的高度差，B代表刀片0°后角長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

圖4 鉆頭位置參數(shù)

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 切削力分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，運(yùn)用AdvantEdge FEM有限元分析軟件進(jìn)行仿真后[4]可以得到仿真鉆削時(shí)刀頭三個(gè)方向的切削力曲線(已過(guò)濾)。如圖5所示，導(dǎo)出曲線上的數(shù)據(jù)，選取完全鉆入工件后的數(shù)據(jù)并求平均值，得到鉆頭三個(gè)方向的力，結(jié)果見(jiàn)表4。由圖得知，x和y方向的力較z向力小很多，但是x和y方向力的變化對(duì)鉆削穩(wěn)定性影響最大，z向力對(duì)刀具強(qiáng)度和工藝系統(tǒng)剛度影響最大，因此需要對(duì)x，y，z三個(gè)方向的力進(jìn)行分析。

圖5 實(shí)驗(yàn)序號(hào)1切削力曲線(已過(guò)濾)

表4 切削力仿真結(jié)果

采用極差法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z的影響關(guān)系(見(jiàn)表5)。

表5 仿真結(jié)果分析

分析表5可得，在結(jié)構(gòu)參數(shù)中，對(duì)Fx影響最大的為高度差，其次為0°后角長(zhǎng)度；對(duì)Fy影響最大的為0°后角長(zhǎng)度，其次為高度差，但兩因素顯著度相差很小。在本次實(shí)驗(yàn)中，徑向力最小的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=7.81mm，B=1.66mm。因素A(即高度差)對(duì)Fz影響較為明顯，因素B(即0°后角長(zhǎng)度)對(duì)Fz影響很小，在本次實(shí)驗(yàn)中，軸向力最小的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=7.81mm，B=1.36mm。

4.2 扭矩分析

改變扭矩影響刀桿的振動(dòng)，與加工過(guò)程中的穩(wěn)定性有密切聯(lián)系，因此，需要對(duì)扭矩進(jìn)行分析。部分扭矩曲線如圖6所示(已過(guò)濾)，導(dǎo)出曲線的數(shù)據(jù)，選取完全鉆入工件后的數(shù)據(jù)求平均值，得到鉆頭扭矩?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表6。根據(jù)仿真結(jié)果采用極差法分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)扭矩影響關(guān)系，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

圖6 實(shí)驗(yàn)序號(hào)4扭矩曲線(已過(guò)濾)

表6 扭矩仿真結(jié)果

表7 Mc仿真結(jié)果分析

根據(jù)表7分析可得，對(duì)扭矩影響最大的是因素A(即高度差)，其次是因素B(即0°后角長(zhǎng)度)，使扭矩在較低范圍內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=7.81mm，B=1.36mm。

4.3 Mises應(yīng)力分析

Von Mises應(yīng)力是一種屈服準(zhǔn)則，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，可以反映材料的某一區(qū)域在整個(gè)模型中的變化，從而迅速確定材料上的危險(xiǎn)區(qū)域[5，6]。

將整體式硬質(zhì)合金刀具改為復(fù)合可換鉆頭后，鉆削部位的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)發(fā)生了很大變化。在前期設(shè)計(jì)中，主要考慮穩(wěn)定性，即保證鉆頭在鉆削過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象將決定優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否可行，因此，非常有必要對(duì)其進(jìn)行Mises應(yīng)力分析。Mises應(yīng)力仿真結(jié)果部分情況如圖7所示，通過(guò)AdvantEdge FEM軟件后處理時(shí)，在圖片中提取最大Mises應(yīng)力，所得應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表8，Mises應(yīng)力極差分析見(jiàn)表9。

圖7 實(shí)驗(yàn)序號(hào)1的應(yīng)力分布

表8 最大Mises應(yīng)力結(jié)果

表9 最大Mises應(yīng)力結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)表9分析可得：對(duì)Mises應(yīng)力影響最大的是因素B(即0°后角長(zhǎng)度)，其次是因素A(即高度差)，在本次實(shí)驗(yàn)中，Mises應(yīng)力最小的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=8.31mm，B=1.06mm。

5 最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果得到因素A(中心鉆鉆尖與刀片中心孔的高度差)、因素B(刀片0°后角長(zhǎng)度)和因素C(因素A與因素B的交互作用)對(duì)徑向力、軸向力、扭矩和Mises應(yīng)力的影響主次順序，并得到初選優(yōu)化方案(見(jiàn)表10)。

表10 各因素優(yōu)選方案

綜合考慮各因素對(duì)鉆削過(guò)程中徑向力、軸向力、扭矩和Mises應(yīng)力的影響以及對(duì)穩(wěn)定性的影響，可知，徑向力對(duì)穩(wěn)定性影響最大，其次是軸向力和扭矩，Mises應(yīng)力的大小與鉆削過(guò)程穩(wěn)定性無(wú)關(guān)，僅保證在加工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生崩刃現(xiàn)象。因此分析認(rèn)為，當(dāng)Mises應(yīng)力影響不是特別大時(shí)，可以只考慮切削力和扭矩的大小變化，其中著重考慮徑向力Fx，F(xiàn)y，其次是軸向力Fz，最后考慮扭矩。綜合分析如下：因素A(即高度差)對(duì)軸向力Fz和扭矩影響較大的方案為A1，對(duì)徑向力影響較大的為A2，因此綜合分析選擇A1，即高度A=7.81mm；因素B(即0°后角長(zhǎng)度)對(duì)軸向力Fz和Fx方向的力影響較小，對(duì)Fy方向的力和Mises應(yīng)力的影響較大，因此綜合分析后選擇B3，即B=1.66mm。

綜上所述，這種復(fù)合可換鉆頭的切削部分優(yōu)化參數(shù)為A=7.81mm，B=1.66mm。

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用AdvantEdge FEM有限元分析軟件對(duì)復(fù)合可換鉆頭鉆削42CrMoV材料進(jìn)行了仿真，包括對(duì)切削力、扭矩和Mises應(yīng)力的仿真。從軟件仿真結(jié)果中提取有用信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理，并制作圖表。通過(guò)是對(duì)切削力、扭矩和Mises應(yīng)力進(jìn)行分析可知，復(fù)合可換鉆頭的切削部分優(yōu)化參數(shù)為A=7.81mm，B=1.66mm。