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        基于切削仿真技術(shù)的廢舊刀片再利用

        2023-08-22 06:39:24薛飛黃忠張秋平王冬孫云峰王劍
        金屬加工(冷加工) 2023年8期
        關(guān)鍵詞:刀尖鈍角銳角

        薛飛,黃忠,張秋平,王冬,孫云峰,王劍

        1. 上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

        2. 上海電機(jī)學(xué)院 上海 200120

        1 序言

        曲軸AF20(見圖1)工序是粗、精車曲軸各擋主軸頸、法蘭外圓、溝槽和各端面的工序。通過卡盤分別夾持曲軸的法蘭端和軸頭端外圓,用車刀對各個(gè)主軸頸外圓進(jìn)行車削[1](見圖2),具有加工效率高、柔性好的特點(diǎn)。

        圖1 曲軸“車-車?yán)痹O(shè)備

        圖2 曲軸車削加工

        2 背景

        粗車主軸頸和扇板端面采用的都是CNMT120612菱形刀片。原工藝在車削曲軸止推面和扇板端面時(shí),都只使用菱形刀片上80°刀尖(下文簡稱銳角刀尖)進(jìn)行車削。而100°的刀尖(下文簡稱鈍角刀尖)得不到利用,白白浪費(fèi)。根據(jù)曲軸扇板的加工輪廓,鈍角刀尖也能代替銳角刀尖滿足加工的要求(見圖3)。但由于原刀片的設(shè)計(jì)中,鈍角不需要有切削功能,因此采用鈍角切削存在以下幾個(gè)不確定因素需要驗(yàn)證。

        圖3 曲軸扇板由銳角刀尖改用鈍角刀尖切削

        1)曲軸粗加工為了追求較高的加工效率,選用了較大的切削參數(shù),背吃刀量ap=3mm、進(jìn)給速度vf=0.4mm/min、切削速度v=120m/min。鈍角刀尖產(chǎn)生的切削抗力與原銳角刀尖相比是否會(huì)明顯增大,機(jī)床主軸功率、進(jìn)給系統(tǒng)強(qiáng)度以及工藝系統(tǒng)剛性能否承受[2]。

        2)在曲軸“車-車?yán)钡侗P上,圓周分布了40把不同的刀具,根據(jù)刀具管理器中設(shè)定的使用壽命進(jìn)行換刀,采用替換刀分組切換。整個(gè)刀盤上的刀具使用壽命都相互匹配。如果使用鈍角刀尖加工方式,刀具使用壽命明顯低于銳角刀尖,就會(huì)造成整組刀具提前換刀,從而大大增加刀具成本。

        以往的試刀方式是請刀具供應(yīng)商制造實(shí)物,在機(jī)床上試驗(yàn)并跟蹤觀察實(shí)際使用效果,再根據(jù)刀具失效形式分析做針對性的改進(jìn),存在刀具優(yōu)化周期長、效率低和成本高的問題。通過有限元仿真手段可分別對CNMT120612菱形刀片銳角和鈍角刀尖的加工過程進(jìn)行模擬,得出切削力、溫度和刀具磨損的對比結(jié)果,研究鈍角刀尖切削扇板的工藝性。

        3 仿真過程

        測繪刀片并建模(見圖4、圖5)。CNMT120612菱形刀片法后角為0°,其長寬高等尺寸可以通過外徑千分尺測得。前角及斷屑槽相關(guān)角度和長度尺寸可將刀片沿正交平面用線切割剖開后,通過電子放大鏡測量。在三維設(shè)計(jì)軟件中,通過拉伸及放樣功能實(shí)現(xiàn)建模,模型以STL格式保存。

        圖4 CNMT120612刀片實(shí)物

        圖5 CNMT120612刀片建模

        采用Deform-3D軟件中的車削仿真模塊。按實(shí)際加工參數(shù)設(shè)定切削條件及初始環(huán)境溫度、熱傳導(dǎo)率和摩擦因子等邊界條件(見圖6)。

        導(dǎo)入刀片模型并選擇刀片的主運(yùn)動(dòng)方向及刀尖點(diǎn)(見圖7),再設(shè)定“工具支托參數(shù)”。其中“滑前角”表示刀具繞刀尖點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度,該角度與刀具的主偏角有關(guān);“后傾角”表示刀具的主后角;“側(cè)傾角”表示刀具的副后角(見圖8)??梢詫︹g角刀尖設(shè)定不同的刀片工作角度,模擬出切削負(fù)載等需要驗(yàn)證的數(shù)據(jù),并依據(jù)模擬結(jié)果逐步優(yōu)化刀具角度[3]。其中與主偏角有關(guān)的要素有切削刃與工件輪廓的干涉情況、主切削力沿軸向和徑向分力的比例以及切屑厚度等。較小的主偏角能提高刀尖強(qiáng)度和散熱能力,延長刀具使用壽命。綜合扇板的實(shí)際加工情況,將主偏角設(shè)為75°。由于刀尖角已經(jīng)確定,因此刀具副偏角為5°。與主后角有關(guān)的要素有切削刃的強(qiáng)度與后刀面的磨損情況。由于采用機(jī)夾式刀片,因此在切削刃楔角已經(jīng)確定的情況下,后角增大將會(huì)使前角減小??紤]到扇板加工屬于斷續(xù)切削,存在較大的沖擊,同時(shí)曲軸材質(zhì)為非調(diào)質(zhì)鋼,有一定的韌性,由于已加工表面金屬回彈,因此會(huì)加劇后刀面與已加工表面的磨損。綜合實(shí)際加工情況,將主后角設(shè)定為5°。

        圖7 選擇刀尖點(diǎn)

        圖8 設(shè)定刀具角度

        定義刀具材質(zhì)和涂層厚度。綜合刀具的模擬精度與運(yùn)算速度,將刀具劃分為4萬個(gè)網(wǎng)格(見圖9)。采用簡化的切削模型,設(shè)置模擬切削長度30mm,并采用相對網(wǎng)格劃分方式,以進(jìn)給量的40%設(shè)定工件網(wǎng)格大小。由于曲軸材質(zhì)為非調(diào)質(zhì)鋼,其力學(xué)性能與45鋼類似??稍诓牧蠑?shù)據(jù)庫中選取45鋼定義工件材質(zhì),并將非加工面添加約束,所有工件表面定義為熱傳導(dǎo)面(見圖10)。

        圖9 刀具網(wǎng)格劃分

        圖10 定義工件

        4 仿真結(jié)果

        (1)刀具磨損分析 由刀具切削仿真溫度分布云圖(見圖11)可知,最高切削溫度出現(xiàn)在靠近刀尖的切屑表面。其中鈍角刀尖最高切削溫度為1010℃,而銳角刀尖最高切削溫度為1130℃。采用鈍角刀尖后,最高切削溫度下降10.6%。由溫度曲線(見圖12)也可知,鈍角刀尖切削的平均溫度約900℃,而銳角刀尖切削的平均溫度約1080℃,采用鈍角刀尖后,平均切削溫度下降約16%。由刀具界面溫度分布云圖(見圖13)可知,鈍角刀尖界面最高溫度為629℃,銳角刀尖界面最高溫度為842℃,且鈍角刀尖的溫度分布面積更大。由于刀具使用壽命與溫度成反比,因此可推論采用鈍角刀尖切削,刀具使用壽命將比原工藝有所提升。

        圖11 鈍角刀尖與銳角刀尖切削溫度分布云圖對比

        圖12 鈍角刀尖與銳角刀尖切削溫度曲線

        圖13 鈍角刀尖與銳角刀尖刀具界面溫度分布云圖對比

        (2)切削力分析 分別選取兩種刀尖模擬的第975步時(shí)的刀具界面壓力云圖進(jìn)行對比(見圖14),可知鈍角刀片的切削負(fù)荷分布在切削刃及靠近刀尖點(diǎn)的較大區(qū)域內(nèi),銳角刀片的切削負(fù)荷主要集中在刀尖點(diǎn)附近。因此可推論銳角刀尖相對崩刀的風(fēng)險(xiǎn)較高。

        圖14 鈍角刀尖與銳角刀尖刀具界面壓力云圖對比

        在模擬坐標(biāo)系中,Y軸對應(yīng)刀具主運(yùn)動(dòng)方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖Y軸負(fù)載曲線(見圖15)可知,鈍角刀尖的主切削力穩(wěn)定值為7000N,銳角刀尖的主切削力為6220N。即鈍角刀尖的主切削力相較銳角刀尖增加了12.5%。觀察銳角刀尖實(shí)際加工時(shí)機(jī)床主軸功率利用率在35%,因此雖然切削負(fù)載增加,但尚在可以承受的范圍。

        圖15 鈍角刀尖與銳角刀尖Y軸負(fù)載曲線

        在模擬坐標(biāo)系中,X軸對應(yīng)曲軸徑向方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖X軸負(fù)載曲線(見圖16)可知,鈍角刀尖的徑向力穩(wěn)定值為1500N,銳角刀尖的徑向力為1460N。即鈍角刀尖的徑向力相較銳角刀尖增加了3%,變化不大,可忽略不計(jì)。

        圖16 鈍角刀尖與銳角刀尖X軸負(fù)載曲線

        在模擬坐標(biāo)系中,Z軸對應(yīng)曲軸軸向方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖Z軸負(fù)載曲線(見圖17)可知,鈍角刀尖的軸向力穩(wěn)定值為1450N,銳角刀尖的軸向力為910N。即鈍角刀尖的軸向力相較銳角刀尖增加了59%。要減小軸向分力,則需要增大主偏角。在刀尖角為100°時(shí),考慮到還要留有一定的副偏角,因此75°已經(jīng)是允許取值最大的主偏角。同時(shí)考慮到軸向是曲軸剛性較好的方向,尚在可以承受的范圍。

        圖17 鈍角刀尖與銳角刀尖Z軸負(fù)載曲線

        綜上,使用鈍角刀尖相較于原銳角刀尖方案,推測刀具的切削溫度有所下降,刀具使用壽命增加。但是切削負(fù)載會(huì)有所增加,尤其是曲軸軸向力會(huì)有明顯增大,但尚在可以承受的范圍,需進(jìn)一步試驗(yàn)。

        5 刀座設(shè)計(jì)

        依據(jù)有限元仿真的主偏角、主后角和副后角等角度設(shè)計(jì)鈍角刀座(見圖18),并委托刀具供應(yīng)商制造。

        圖18 設(shè)計(jì)鈍角刀座

        6 結(jié)束語

        利用對切削過程的有限元仿真技術(shù)對CNMT120612菱形刀片銳角和鈍角刀尖的切削力和切削溫度進(jìn)行模擬,研究了在車削主軸頸止推面工步上使用菱形刀片的80°銳角切削,待銳角刀尖磨損后換至車削扇板工步,用鈍角切削的工藝可行性。充分利用廢舊刀片,不僅可以節(jié)省刀具成本,而且減少了環(huán)境污染。

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