變截面渦旋盤銑削參數(shù)與齒變形規(guī)律研究

郭 剛

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

變截面渦旋壓縮機(jī)是一種高效的流體機(jī)械，采用較少的嚙合圈數(shù)可實(shí)現(xiàn)高壓比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小等特點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械、食品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。渦旋盤是渦旋機(jī)械的關(guān)鍵零部件，渦旋盤加工精度直接影響渦旋壓縮機(jī)的工作性能。在高速銑削加工過程中，渦旋齒極易發(fā)生變形，嚴(yán)重影響齒壁面的加工精度和加工效率。近年來，渦旋齒變形問題引起了研究者的廣泛關(guān)注，分析齒變形規(guī)律、找到影響齒變形的因素，對減小渦旋齒變形有重要的意義。

對渦旋壓縮機(jī)的研究大部分集中在其幾何特性、工作原理、泄漏、密封、型線修正等方面。如孫永吉等[2]通過AdvantEdge軟件建立了渦旋盤銑削模型，研究了其加工機(jī)理；Ali等[3]用不同的有限元軟件切削加工鈦合金，研究其加工變形問題；王光宇等[4]建立了航空鋁合金薄壁件加工變形預(yù)測模型，利用有限元軟件研究加工薄壁件變形；湯愛君等[5]研究了在靜態(tài)銑削力的作用下平面薄壁件在不同位置處的變形；Wang等[6]以鋁合金葉輪為研究對象，利用AdvantEdge軟件銑削薄壁葉輪，研究了其銑削力及薄壁葉輪在各個(gè)刀接觸點(diǎn)處的變形量。目前在變截面渦旋盤銑削試驗(yàn)和齒變形方面的研究還是較少。本文在高速銑削渦旋盤試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用有限元ABAQUS軟件研究了渦旋齒在銑削時(shí)沿渦旋型線軌跡方向、齒壁高度方向及齒壁厚和銑削力變化時(shí)的齒變形規(guī)律，為減小齒的變形提供理論依據(jù)，提高了渦旋盤加工精度和加工效率。

1 變截面渦旋盤銑削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在額定功率為7.5 kW的XK714型高速數(shù)控機(jī)床上完成。工件材料為HT250灰鑄鐵，其毛坯形狀為φ140 mm×50 mm的圓柱體，銑刀選用直徑為10 mm四刃整體式Y(jié)G6X立銑刀，切削力采用瑞士Kistler9257B三向壓電式測力儀測量，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 變截面渦旋盤加工試驗(yàn)裝置

變截面渦旋盤型線復(fù)雜、齒槽窄、齒壁厚、比值大，加工較復(fù)雜，在加工過程中受銑削力和顫振等多因素的影響齒易發(fā)生變形。本文選取加工變截面渦旋盤第二段基圓漸開線外圈型線，其外圈基圓漸開線型線方程為：

(φ1≤φ≤φ2)

(1)

式中：x2，y2分別為展角φ處第二段基圓漸開線對應(yīng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；a1，a2為基圓漸開線的基圓半徑；φ1，φ2為基圓漸開線連接點(diǎn)處的展角值；Ror為回轉(zhuǎn)半徑。取a1=2.885，a2=4.158，φ1=2π，φ2=4π，Ror=5.063，根據(jù)法向等距線法[7]將基圓漸開線外偏移Ror/2生成變截面渦旋外圈型線，幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表1試驗(yàn)因素與水平值銑削渦旋盤第二段基圓外圈齒，得到徑向力Fx和切向力Fy的值，見表2。

表1 試驗(yàn)因素與水平值

表2 變截面渦旋盤試驗(yàn)銑削力數(shù)據(jù)

續(xù)表

為研究變截面渦旋盤高速銑削時(shí)主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、切削寬度和每齒進(jìn)給量對銑削力的影響規(guī)律，并得到最優(yōu)銑削參數(shù)組合，應(yīng)用極差法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3。

表3 極差分析結(jié)果 單位：N

由表3極差分析結(jié)果得出，高速銑削變截面渦旋盤時(shí)，切削深度和切削寬度對銑削力的影響較大，每齒進(jìn)給量影響次之，主軸轉(zhuǎn)速影響最小。得到最優(yōu)的銑削參數(shù)組合為n4ap5ae5f1。

為了更直觀地分析不同銑削參數(shù)對銑削力的影響，繪制橫坐標(biāo)為各銑削參數(shù)的因素、縱坐標(biāo)為銑削力的折線圖，得到銑削參數(shù)對銑削力影響的規(guī)律如圖3所示。

圖3 各銑削因素對銑削力影響規(guī)律

由圖3可得，在給定因素水平范圍內(nèi)，高速銑削變截面渦旋盤時(shí)，切削力隨主軸轉(zhuǎn)速先減小后增大，且分別隨切削深度、切削寬度、每齒進(jìn)給量的增大而增大，切削深度和切削寬度對切削力的影響較大，進(jìn)給量的影響次之，主軸轉(zhuǎn)速的影響最小。

2 渦旋齒加工變形規(guī)律

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用有限元ABAQUS軟件研究渦旋齒在銑削時(shí)集中力的變化和作用點(diǎn)的變化對齒變形的影響，齒變形規(guī)律研究的流程如圖4所示。

圖4 渦旋齒變形規(guī)律研究流程

選取第二段基圓外圈渦旋型線起始段，銑削力作用于沿型線軌跡方向、齒高方向，不同齒壁厚位置的路徑示意圖如圖5所示。

圖5 銑削力沿不同位置路徑圖

2.1 渦旋型線軌跡方向齒變形

結(jié)合極差分析和得到的最優(yōu)銑削參數(shù)組合，選取第22組試驗(yàn)的銑削力，其切向力為95.30 N，徑向力為38.07 N，軸向力為11.61 N。將銑削力作用于所選取的第二段基圓外圈齒壁面上，銑刀作用點(diǎn)沿型線軌跡坐標(biāo)X(-23.65～1.55)、Y(-2.14～30.75)、Z始終等于23.00變化時(shí)，得到齒變形數(shù)據(jù)和規(guī)律如表4和圖6所示。

表4 沿渦旋型線軌跡方向各點(diǎn)X，Y，Z三向齒變形數(shù)據(jù) 單位：mm

圖6 沿渦旋型線軌跡方向各點(diǎn)的X,Y,Z三向變形

由圖6可知，銑刀沿第二段基圓外圈型線由內(nèi)到外銑削時(shí)，由于第二段基圓外圈型線起始端齒的剛度較低，Y向的變形最大，其最大變形為0.013 752 6 mm,而X向的變形幅度(最大變形與最小變形之差)最大，最大變形為0.005 343 mm,與最小變形值之差為 0.001 798 mm,Z向最大變形與最小變形之差為0.000 782 mm,變形曲線接近于水平直線。沿著第二段基圓型線由內(nèi)到外加工渦旋盤時(shí)，齒的變形在X和Y方向都在減小，因此主要應(yīng)檢測型線起始端齒壁面的變形。

2.2 渦旋齒壁高度方向齒變形

當(dāng)銑刀位置作用于X(-22.92)、Y(-10.51)、高度方向?yàn)閆(2.50～23.50)變化時(shí)，得到齒變形結(jié)果如表5和圖7所示。

表5 渦旋齒壁高度方向X,Y,Z三向齒變形數(shù)據(jù) 單位：mm

圖7 沿渦旋齒壁高度方向各點(diǎn)的X,Y,Z三向齒變形

由圖7可知，3個(gè)方向的變形均為越遠(yuǎn)離渦旋盤固定端變形越大，由于切向力Fy較大，沿渦旋齒壁高度方向的變形依然是Y向的變形最大，渦旋齒高從17.50 mm到齒頂部23.50 mm處時(shí)，齒的變形最明顯。齒頂部分變形最大，齒根部分變形較小,Y向最大變形為0.013 906 mm，而X向的最大變形為0.006 040 mm,最小為0.004 408 mm。因此，在高速銑削齒頂壁面時(shí)，應(yīng)盡可能選擇較小切削深度、每齒進(jìn)給量、切削寬度，這樣可減小齒的變形。

2.3 不同壁厚齒變形

當(dāng)銑刀作用于齒高位置Z(20.50)、銑削力作用于不同齒壁厚位置時(shí)得到各點(diǎn)X,Y,Z3個(gè)方向齒變形數(shù)據(jù)和規(guī)律如表6和圖8所示。

由表6和圖8可知，高速銑削不同壁厚渦旋盤時(shí)，其Y向變形最大，最大變形為0.012 997 mm,與最小變形相差0.001 704 mm，Z向的變形最小,其最大變形為0.001 731 mm，由內(nèi)到外加工第二段基圓漸開線外圈齒壁時(shí)，起始端3個(gè)方向上齒的變形均最大。因此在設(shè)計(jì)變截面渦旋盤時(shí)，壁厚是一個(gè)重要的考慮因素，壁厚太小齒極易變形，很難達(dá)到加工精度要求。

圖8 不同齒壁厚各點(diǎn)的X,Y,Z三向齒變形

表6 不同壁厚X,Y,Z三向齒變形數(shù)據(jù) 單位：mm

2.4 不同銑削力時(shí)的齒變形

銑削力是引起齒變形的主要因素，最易引起齒徑向變形，嚴(yán)重影響齒的加工精度和表面質(zhì)量。選取試驗(yàn)序號為1、2、5、6、11、15參數(shù)下的徑向力Fx，研究渦旋齒位置為(-22.928 5,-10.517 6, 20.50)、齒厚為5.151 9 mm時(shí)不同銑削力下渦旋齒的徑向變形。得到各點(diǎn)在X向的齒變形數(shù)據(jù)和規(guī)律如表7和圖9所示。

表7 不同銑削力X向齒變形數(shù)據(jù)

圖9 不同銑削力X向齒變形

過渦旋齒上一點(diǎn)(-22.9285，-10.5176，20.50)作齒根到齒頂?shù)穆窂絧ath-1，在此位置施加38.62 N銑削力時(shí)，齒在路徑path-1的X方向變形分布如圖10所示。

圖10 路徑path-1的X方向變形分布曲線

由表7、圖9和圖10分析得到，隨著銑削力的增大，齒在X向的變形也隨之增大，且成線性增加。在作用點(diǎn)處的變形最大，銑削力為38.62 N時(shí)，X向變形為0.004 000 mm,而在銑削力為66.93 N時(shí)，最大變形為0.007 078 mm,可見銑削力對齒變形影響極大。因此，當(dāng)高速加工變截面渦旋盤時(shí)，在滿足加工要求的前提下，應(yīng)選取最優(yōu)的銑削參數(shù)，以減小銑削力，提高齒的加工精度和表面質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本文通過對變截面渦旋盤銑削力的試驗(yàn)研究，應(yīng)用極差法得到了銑削參數(shù)對銑削力的影響規(guī)律，并得到了最優(yōu)的銑削參數(shù)組合。利用有限元ABAQUS軟件分析了渦旋齒在銑削時(shí)力的變化和作用點(diǎn)的變化對齒變形的影響規(guī)律，得到的結(jié)論是：銑削力對齒變形影響最大，且徑向變形幅度最明顯；刀具作用于第二段基圓外圈型線，由內(nèi)到外加工渦旋盤時(shí)，齒的變形程度在減小，且齒頂?shù)淖冃巫畲?。本文對渦旋齒變形規(guī)律的研究為加工變截面渦旋盤時(shí)減小齒的變形提供了理論依據(jù)，提高了渦旋盤的加工精度和加工效率。