基于仿真切削參數(shù)的正交試驗設(shè)計及優(yōu)化

■鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院（河南 458030）趙 帥 李 震 畢雅萱

高精度多工位機(jī)床的關(guān)鍵核心部件包括轉(zhuǎn)動圓盤、上下動力頭座，俗稱“三明治”機(jī)構(gòu)。如圖1所示，轉(zhuǎn)動圓盤是機(jī)床的分度回轉(zhuǎn)工作臺，臺面上安裝有夾具和工件；上下動力頭座分別位于轉(zhuǎn)動圓盤的上下兩側(cè)，起到支撐動力頭的作用。

如圖2所示，“三明治”機(jī)構(gòu)零件屬于精密多孔盤類結(jié)構(gòu)件，外沿孔徑的尺寸精度要求在±5μm，圓度精度要求在8μm。因此，零件孔的制造精度要求格外嚴(yán)格，臺面上孔的加工量占整個零件加工量的一半以上?，F(xiàn)以轉(zhuǎn)動圓盤孔的加工為例，對其工藝參數(shù)的選擇進(jìn)行分析研究。

圖1 “三明治”機(jī)構(gòu)

圖2 “三明治”機(jī)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)

Deform—3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元仿真軟件，其強(qiáng)大的模擬引擎，能夠分析金屬成形過程中多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性。與傳統(tǒng)的直接試驗法相比，使用軟件仿真費(fèi)用低、耗時短，在考慮多因素時其優(yōu)勢尤為顯著。因此，本文以Deform—3D軟件為平臺，針對轉(zhuǎn)盤鏜孔過程進(jìn)行模擬仿真，并通過正交試驗得出最優(yōu)化切削參數(shù)組合。

1.Deform—3D有限元仿真平臺

（1）建立有限元模型。由于Deform—3D分析軟件不具備三維造型功能，所以本文選擇在Solidworks軟件中建立模型。在Solidworks中建立的鏜刀裝配模型如圖3所示，其中鏜刀前角γo=8°，后角αo=10°，刀尖圓弧半徑rε=0.2mm。模型文檔另存為STL文件格式，并在選項中選擇“在單一文件”保存裝配體的所有零件。進(jìn)入Deform－3D軟件中Machining模塊后，導(dǎo)入預(yù)先構(gòu)造的刀具模型，刀具材料選擇硬質(zhì)合金WC。設(shè)定工件尺寸，材料選用QT700—2。

圖3 鏜刀幾何模型

（2）模型的網(wǎng)格劃分（見圖4）。劃分網(wǎng)格時首先要考慮網(wǎng)格數(shù)量，數(shù)量越多劃分的越細(xì)密，分析精度越高，但計算規(guī)模也將成倍增加。在本試驗中，刀具網(wǎng)格類型為相對網(wǎng)格類型，其單元總數(shù)為15000個，Size Radio為4，工件網(wǎng)格類型為絕對網(wǎng)格類型，網(wǎng)格最小尺寸為0.01 mm，其單元總數(shù)為26357個。

圖4 三維模型的網(wǎng)絡(luò)劃分

（3）模擬參數(shù)設(shè)置。模擬過程中，模擬計算步長的確定是十分重要的。對于幾何形狀簡單，邊角無流變或其他局部嚴(yán)重變形的問題，步長可選用模型中較小單元邊長的1/3。本試驗設(shè)置仿真總步數(shù)為5000，步數(shù)增量設(shè)為25，切削終止角度65°。刀具磨損模型選用適合于金屬切削的Usui's模型，系數(shù)a為0.0000001，b為855。最后檢查仿真的各項參數(shù)設(shè)置是否正確，生成數(shù)據(jù)庫，開始運(yùn)行仿真。

2.鏜孔切削的正交試驗仿真

正交試驗是研究多因素、多水平試驗的主要方法，它是根據(jù)正交性原則從所有試驗點(diǎn)中挑選部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗，從中尋找出一組最佳的水平組合。

（1）試驗方案設(shè)計。首先確定影響鏜刀切削性能的主要因素為：A是切削速度（m/min）；B是進(jìn)給量（mm/r）；C是切削深度（mm）。

通過理論參考資料和生產(chǎn)實踐確定3個因素的變化范圍：A（v）為80～120m/min；B（f）為0.02～0.06 mm/r；C（ap）為0.03～0.08mm。設(shè)計每個因素取3個水平，得到正交試驗的3因素（A、B、C）與3水平（1、2、3）表格（見表1）。

表1 因素水平表

（2）試驗結(jié)果與分析。切削參數(shù)因素水平表設(shè)計完成之后，基于已有刀具和工件有限元模型進(jìn)行表2中的切削正交試驗，試驗評價指標(biāo)為切削力和轉(zhuǎn)盤形變量，并按照各組試驗順序記錄試驗結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行整理計算。

在正交試驗表2中，各個參數(shù)下評價指標(biāo)的均值如表3、表4所示。其中，k1代表“水平1”的指標(biāo)均值；k2代表“水平2”的指標(biāo)均值；k3代表“水平3”的指標(biāo)均值；極差R代表不同水平時各因素評價指標(biāo)均值的極差，其大小代表了該因素的水平變化時評價指標(biāo)的變化幅度。

表2 轉(zhuǎn)盤鏜孔切削正交試驗

由表3中各因素的極差可以看到，基于主切削力FZ的極差由大到小的排列為：C、A、B；即對評價指標(biāo)影響程度由大到小的因素分別為：切削深度、切削速度及進(jìn)給量。基于主切削力FZ最小，作為優(yōu)化目的，正交試驗方案的較優(yōu)組合為A3B2C1，即切削速度v=120 mm/min，進(jìn)給量f=0.04mm/r，切削深度ap=0.03mm。

表3 基于主切削力FZ的評價指標(biāo)和極差分析

由表4中各因素的極差可以看到，基于轉(zhuǎn)盤形變量的極差由大到小的排列為：A、B、C；即對評價指標(biāo)影響程度由大到小的因素分別為：切削速度、進(jìn)給量及切削深度。基于轉(zhuǎn)盤形變量最小作為優(yōu)化目的，正交試驗方案的較優(yōu)組合為A3B1C3，即切削速度v=120mm/min，進(jìn)給量f=0.04 mm/r，切削深度ap=0.03mm。

表4 基于轉(zhuǎn)盤形變量的評價指標(biāo)和極差分析

在精密鏜孔切削時，工件受切削力影響會產(chǎn)生很強(qiáng)的塑性變形應(yīng)力場和溫度場，從而導(dǎo)致工件發(fā)生形變。因此，以切削力和形變量作為評價指標(biāo)來衡量切削參數(shù)優(yōu)劣時，切削力比形變量更具有參考價值。因此，綜合從切削力和形變量兩方面考慮，并結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，正交試驗的最優(yōu)組合為A3B1C1，即切削速度v=120m/min，進(jìn)給量f=0.02 mm/r，切削深度ap=0.03mm。

3.試驗驗證

該轉(zhuǎn)盤零件的鏜孔工藝主要在雙坐標(biāo)鏜床上完成，加工后的零件如圖5所示。經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)檢測，轉(zhuǎn)動圓盤的關(guān)鍵孔位尺寸φ25mm、形狀精度測量結(jié)果如圖6、圖7所示。

在圖6中，孔徑的誤差主要集中在后半程的第22、23孔加工，未滿足孔徑φ的要求。這有可能是因為隨著加工的進(jìn)行，刀具受熱磨損所引起的誤差。在圖7中，孔的圓度精度要求小于0.005mm，有3個孔沒有達(dá)到精度要求，其中第9孔和第15孔的誤差比較異常。這很可能是因為零件在加工后進(jìn)行測量時，由于操作人員、測量機(jī)及主客觀（溫度、接觸力）等偶然因素直接影響了測量結(jié)果，因此應(yīng)排除這兩個孔的誤差。

圖5 轉(zhuǎn)盤實物

圖6 轉(zhuǎn)盤φ25mm孔徑分布

圖7 轉(zhuǎn)盤φ25mm孔圓度分布

4.結(jié)語

本文基于Deform－3D建立了鏜孔過程中的三維有限元模型，根據(jù)不同切削參數(shù)模擬獲得了一系列的切削力、應(yīng)變數(shù)值，并利用正交試驗得出了最優(yōu)切削參數(shù)組合，最后對轉(zhuǎn)盤零件進(jìn)行實際加工，結(jié)果也進(jìn)一步驗證了切削參數(shù)的合理性。與傳統(tǒng)加工方法相比，這種方法節(jié)省了工藝試驗材料和費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，為今后類似精密零件的切削加工提供了一定的借鑒。

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