基于AdvantEdge FEM的閥體鏜削精加工過程仿真分析*

曾林林，周利平，劉小瑩，張海生

(西華大學 機械工程與自動化學院，成都 610039)

基于AdvantEdge FEM的閥體鏜削精加工過程仿真分析*

曾林林，周利平，劉小瑩，張海生

(西華大學 機械工程與自動化學院，成都 610039)

閥體關鍵部位的加工質量是制約閥門使用性能的重要因素，因此，在閥體加工過程中，對其配合面和密封面的尺寸精度和表面質量要求較高。利用金屬切削工藝有限元分析軟件AdvantEdge對閥體配合部位鏜削精加工過程進行仿真，能夠有效的模擬切削過程中刀具所受切削力和切削溫度隨時間的變化。并在此基礎上結合單因素法，分析了不同切削參數條件下刀具所受力、受熱變形對閥體被加工表面質量和精度的影響。分析結果為實際閥體關鍵部位精加工切削用量的選擇提供參考。

閥體；鏜削；精加工；AdvantEdge；切削參數

0 引言

閥體是閥門組件中的關鍵元件，其在閥門配套設備中的加工難度最大，而在閥體的制造加工過程中，配合面、密封面等關鍵部位的加工質量的好壞決定了閥門的整體使用性能。鏜削是閥體配合面精加工的主要加工手段，但鏜削過程中刀具的磨損和變形對被加工閥體的表面粗糙度和尺寸精度的影響較大[1-2]。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，利用有限元分析技術對切削加工過程進行模擬仿真越來越廣泛。陸郁等利用有限元軟件Advantedge研究了機加工工藝參數對某缸體曲軸孔的精鏜加工切削性能的影響[3]；劉匯源等研究了密封球閥球體密封面精加工技術，提出了球體密封面研磨工藝參數值[4]；高培軍等采用模態(tài)分析、瞬態(tài)響應分析等有限元分析方法，對閥體加工過程的變形規(guī)律及切削力狀況進行了分析[5]。采用有限元軟件模擬閥體的切削加工，部分代替實際切削實驗，將節(jié)省大量的資源。通過前期多次切削試驗驗證，AdvantEdge軟件的切削仿真結果與實際加工情況比較吻合，因此本文采用AdvantEdge模擬仿真了閥體配合面精加工過程中，刀具所受切削力和切削溫度隨時間的變化，進而分析不同切削參數條件下，刀具受力受熱變形、磨損等對閥體加工表面質量和精度的影響。

1 閥體鏜削精加工關鍵參數確定

1.1 刀具材料及其幾何角度的選擇

刀具材料切削性能的好壞直接影響加工精度和表面質量[6]。目前行業(yè)中常用的刀具材料主要有：高速鋼、硬質合金、PCBN(立方氮化硼)、金剛石等。閥體精加工階段的切削用量小，關鍵表面尺寸精度和表面粗糙度要求高，用立方氮化硼刀具加工閥體，不僅工件的加工精度高、表面質量好，而且生產效率高、刀具壽命長；并結合工件材料的強度等因素，選擇刀具材料為立方氮化硼[7]。

刀具幾何角度對切削力和加工質量有重要影響。在刀具幾何角度中主要考慮主偏角(κr)、前角(γo)、后角(αo)、刃傾角(λs)等四個角度，參考《機械加工工藝手冊》中推薦的刀具幾何角度范圍，并綜合考慮切削過程中刀具所受力、排屑和刀尖強度等，選擇刀具幾何角度為：κr=90o、γo=-5o、αo=10o、λs=5o。由于AdvantEdge中設置的刀具角度：BR (背前角)和SR (側前角)，使用美國標準采用假定進給(Pf)、切深剖面(PP)參考系，根據刀具在主剖面(PO)和進給、切深剖面參考系中的標注角度關系，如圖1所示，進行刀具角度的轉換。

圖1 刀具的標注角度

得到如下轉換關系：

tan(BR)=tanγo·sinκr+tanλs·cosκr

(1)

tan(SR)=tanγo·cosκr-tanλs·sinκr

(2)

計算得AdvantEdge中刀具幾何角度：背前角BR=-5°，側前角SR=-5°，余偏角Lead Angle=-5°。

1.2 閥體切削用量的選擇

參考機械加工工藝手冊[8]中，臥式鏜床的精鏜鏜削用量的選擇范圍，設置切削速度v=60～150m/min，進給量f=0.15～0.5mm/r，背吃刀量ap=0.4～1.2mm。采用單因素分析法，研究切削三要素對刀具的影響。設置仿真方案，共分為三組，每組4對數據。如表1所示。

表1 切削用量單因素方案表

1.3 閥體零件鏜削精加工要求

被加工閥體結構如圖2所示。閥體材料為15NiCuMoNb5(Wb36)，是一種高強度、可焊性好的耐高溫高壓、Ni-Cu-Mo低合金結構鋼，具有良好的切削加工性，且此材料可以100%回收再利用。

圖2 閥體零件結構

本文所研究的是閥體與閥芯配合表面的鏜削精加工，該內孔尺寸精度為H7，表面粗糙度為Ra1.6。

2 閥體鏜削精加工過程有限元仿真

2.1 模型建立

采用標準與自定義功能建立工件和刀具模型。根據工件的毛坯尺寸，建立工件模型，如圖3所示，內徑d為43mm，外徑D為75mm，高度h為30mm。刀具模型如圖4所示：切削刃數目為4，側前角side rake angle為-5°，背前角back rake angle為-5°，余偏角lead angle為-5°，刀具直徑tool diameter為43.5mm(零件尺寸)。工件材料為WB36(15NiCuMoNb5)，刀具材料為PCBN(立方氮化硼)[9]。刀具-工件材料性能如表2、3所示。

圖3 工件模型建立 圖4 刀具模型建立 表2 PCBN刀具材料性能

楊氏模量(GPa)剪切模量(GPa)密度(kg/m3)泊松比熱膨脹系數(10-6/℃)導熱系數[W/(m·K)]85040534400.122.0100

表3 WB36工件材料性能

2.2 網格劃分

為了得到最優(yōu)網格，本次研究采用網格重劃分和自適應網格技術，工件網格劃分參數設置如圖5所示：最大單元尺寸2mm，最小單元尺寸0.1mm，網格劃分等級0.3。刀具網格劃分參數設置如圖6所示：最大單元尺寸1mm，最小單元尺寸0.1mm，網格劃分等級0.5。刀具和工件接觸區(qū)域的網格劃分更密一些，切削刃網格最小值為0.091mm。

圖5 工件網格劃分 圖6 刀具網格劃分

2.3 參數設置及仿真分析

為了獲得更加精確的仿真結果，仿真模型選擇Standard模式。仿真初始溫度設為20℃。鏜削仿真的切削參數(主軸轉速、進給量、切削初始溫度、切削加工弧度)設置如圖7所示，切削參數按照表1中數據及分組情況進行設置。設置完畢后分組進行仿真分析。

圖7 切削參設置

3 后處理數據分析

運用Advantedeg FEM軟件進行仿真分析，得到不同切削參數(切削速度、進給量、背吃刀量)情況下，閥體鏜削過程中刀具溫度和所受切削力的變化。

3.1 不同切削參數下刀具切削力的變化

3.1.1 進給量(Z向)對刀具切削力的影響

切削速度v=60m/min，背吃刀量ap=0.2mm，進給量f=0.2、0.3、0.4、0.5mm/r時，切削力變化情況如圖8a～8d所示。

(a)f=0.2mm/r時

(b)f=0.3mm/r時

(c)f=0.4mm/r時

(d)f=0.5mm/r時圖8 進給量與切削力關系

根據圖8a～8d，切削速度和背吃刀量一定，進給量逐漸增加，Z方向力Ff(進給抗力)一直維持在10N左右。X和Y方向的力FC和FP(主切削力和切深抗力)隨著鏜刀在閥體內加工方向的變化，力的方向也發(fā)生變化；隨著進給量的增加，切削力FC和背向力FP逐漸增加。因此在v和aP一定后，應選取較小的進給量f。

3.1.2 背吃刀量(Y向)對刀具切削力的影響

切削速度v=110m/min，進給量f=0.2mm/r，背吃刀量aP=0.4、0.5、0.6、0.8mm時，切削力變化情況如圖9a～9d所示。

(a) ap=0.4mm時

(b) ap=0.5mm時

(c) ap=0.6mm時

(d) ap=0.8mm時圖9 背吃刀量與切削力關系

根據圖9a～9d，當切削速度和進給量一定時，背吃刀量逐漸增加時，F(xiàn)f(Z方向)逐漸增加，當aP在0.4～0.6mm之間時，F(xiàn)f變化趨于平穩(wěn)。隨著背吃刀量的增加，F(xiàn)C(X方向)，F(xiàn)P(Y方向)也增加。因此，在閥體精鏜時應選擇較小的背吃刀量。

3.1.3 切削速度(X向)對刀具切削力的影響

切削速度v=55、70、95、110mm/min，進給量f=0.3mm/r，背吃刀量ap=0.5mm時。切削力變化情況如圖10a～10d所示。

(a) v=55m/min時

(b) v=70m/min時

(c) v=95m/min時

(d) v=110m/min時圖10 切削速度與切削力關系

根據圖10a～10d，當進給量和背吃刀量一定后，隨著切削速度的增加，F(xiàn)f基本保持在20N左右。切削速度逐漸增加，F(xiàn)C和FP逐漸變大，隨后FP又緩慢下降，而主切削力FC在固定值120～130N之間徘徊。因此，在選擇切削用量時，可以選擇較大的切削速度。

3.2 不同切削參數下刀具溫度的變化

3.2.1 進給量(Z向)對刀具溫度的影響

切削速度v=60m/min，背吃刀量ap=0.2mm，進給量f=0.2、0.3、0.4、0.5mm/r時，刀具刀尖溫度變化情況如圖11a～ 11d所示。

圖11 進給量與刀具溫度關系

根據圖11a～11d，當背吃刀量和切削速度一定后，隨著進給量的增加，刀具的最高溫度逐漸增加，并在350～500℃之間變化；進給量增加，鏜刀克服工件塑形變形所做的功就增加，切削熱增加，考慮到加工質量的要求，應適當減小切削深度。從圖中看出當f=0.3mm時，刀尖的最高溫度最低，但是PCBN刀具耐熱溫度可以達到1500℃，所以進給量對PCBN刀具的使用壽命影響較小。

3.2.2 背吃刀量(Y向)對刀具溫度的影響

切削速度v=110m/min，背吃刀量aP=0.4、0.5、0.6、0.8mm，進給量f=0.2mm/r時,刀尖溫度變化情況如圖12a～12d所示。

圖12 背吃刀量與刀具溫度關系

根據圖12a～ 12d可以看出：當切削速度和進給量一定時，隨著背吃刀量的增加，刀具的最高溫度逐漸增加，并在400～500℃之間變化。在加工余量一定時，加大背吃刀量可以縮短走刀時間，但切屑與工件、刀具之間的摩擦也逐漸增大，不利于刀具散熱，影響加工表面質量，因此應選擇較小的背吃刀量。

3.2.3 切削速度(X向)對刀具溫度的影響

切削速度v=50、70、95、110m/min，進給量f=0.3mm/r，背吃刀量ap=0.5mm時，刀尖溫度變化情況如圖13a～13d所示。

圖13 切削速度與刀具溫度關系

根據圖13a～13d，當背吃刀量和進給量一定時，隨著切削速度的增加，刀具刀尖最高溫度逐漸增加，并在400～500℃之間變化。刀具和工件之間產生的擠壓摩擦熱，絕大部分被切屑帶走，同時切削速度的增加，使刀具和切屑之間的傳熱時間縮短，因此可以減小閥體鏜孔的變形。

4 結束語

閥體精加工過程中，刀具的受力受熱變形對被加工表面的尺寸精度和表面粗糙度影響較大。本文針對一種閥體結構，對其關鍵表面精加工過程進行有限元模擬仿真，得到了不同切削參數條件下刀具切削力和切削溫度的變化，并分析了其對加工表面的影響。所得仿真分析的結果可為實際閥體鏜削加工提供參考。

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(編輯 李秀敏)

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——本刊編輯部

Simulation Analysis of Boring Finishing Process for Valve Body Based on AdvantEdge FEM

ZENG Lin-lin，ZHOU Li-ping，LIU Xiao-ying，ZHANG Hai-sheng

(School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University, Chengdu 610039，China)

Machining quality of the key parts of value body is the important factor to restrict the performance of the valve, so during the machining process, the demands for dimensional accuracy and surface quality requirements of mating surface and sealing surface are quite high. Firstly, the AdvantEdge which is a metal cutting finite element software was used to simulate the boring finishing process of mating surface of the valve body, can effectively analyze the changing rule of cutting force and cutting temperature with time. Then, the single factor analysis method was used to analyze the influence of boring cutter due to cutting force and cutting temperature under the condition of different cutting parameters, which is exerted on machining quality and precision by the deformation. The analysis results obtained in this paper will provide reference for the choice of cutting parameters in the actual valve body finish machining process.

valve body ;boring;finish machining;advantedge;cutting parameters

1001-2265(2014)05-0143-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.039

2013-08-29 ；

2013-10-01

四川省教育廳重點科研資助項目(2004A111)；省部共建教育部重點實驗室項目(SBZDPY-11-22)

曾林林( 1989—)，男，四川內江人，西華大學碩士研究生，研究方向為金屬切削原理及刀具應用，(E-mail)zeng_lin_lin@163.com。

TH164; TG53

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