立銑刀齒數(shù)和螺旋角對銑削變截面渦旋盤影響仿真研究

郭剛，葉云霞，張毅

新疆農業(yè)大學機電工程學院

1 引言

渦旋壓縮機是一種在制冷、空調、汽車、化工和食品等領域應用非常廣泛的流體機械[1，2]，近年來，變截面渦旋壓縮機最核心部件變截面渦旋盤的設計和加工成為研究趨勢。與等截面渦旋壓縮機相比，渦旋盤型線的圈數(shù)少、體積小、噪音小、高壓比大、效率高且運行更平穩(wěn)，更能滿足節(jié)能減排環(huán)保經(jīng)濟的需要。

變截面渦旋盤型線由圓漸開線、高次曲線及圓弧等多種曲線組合而成，渦旋齒的壁厚非均勻變化，加工難度較大，要完全加工出滿足加工精度要求[3]的變截面渦旋盤，需研究刀具的幾何參數(shù)對銑削變截面渦旋盤的影響。

國內外對渦旋壓縮機渦旋盤加工的研究逐漸增多，孫永吉等[4]建立了渦旋盤粗精加工模型，通過軟件得到十階模態(tài)下加工的固有頻率和最大位移量，避免了因參數(shù)選擇不當引起振動；Kazuya Kato等[5]研究了在高速加工渦旋盤時對刀具造成的摩擦磨損；許晉等[6]通過試驗研究了銑削加工過程中不等螺旋角立銑刀與傳統(tǒng)等齒立銑刀的區(qū)別，并分析了對稱式不等螺旋角立銑刀與不對稱不等螺旋角立銑刀銑削力的不同；李峰等[7]通過正交試驗研究了刀具前角、后角和螺旋角對切削CFRP材料時X，Y，Z方向切削力的影響規(guī)律；林琪等[8]采用單因素法通過AdvantEdge軟件仿真分析了切削Ti-6AI-4V材料時，刀具前角、齒數(shù)和螺旋角對切削力、切削溫度和單位切削能的影響規(guī)律，得到優(yōu)化的切削參數(shù)。在實際銑削加工過程中，刀具幾何參數(shù)對切削力的改變有直接影響[9，10]。

變截面渦旋盤銑削加工時，刀具的選擇直接影響齒的加工精度，通過分析渦旋壓縮機的工作原理以及高速銑削時立銑刀幾何參數(shù)對銑削的影響，建立了銑削仿真模型，用ABAQUS軟件仿真分析了刀具齒數(shù)和螺旋角對銑削力和銑削熱的影響規(guī)律，本研究可為變截面渦旋盤加工時刀具齒數(shù)和螺旋角的選擇提供依據(jù)和參考。

2 渦旋壓縮機的工作原理

渦旋壓縮機主要的核心部分是依靠渦旋型線參數(shù)相同、相位差為180°、基圓中心間距為Ror的動靜渦旋盤相互嚙合，使共軛的動靜渦旋盤內、外齒壁將會形成多對封閉月牙形工作腔體，由于動靜渦旋盤不斷地旋轉運動，因此工作腔氣體壓力是連續(xù)且時刻變化的。動靜盤工作時形成的工作腔內容積的原理見圖1。

(a)0° (b)90° (c)180° (d)270°

原理圖里的白色表示渦旋壓縮機動渦旋盤，剖面線表示與其嚙合的靜渦旋盤。如圖1a所示，渦旋壓縮機剛開始工作時，即主軸轉角為0°時，高溫高壓的工質氣體通過靜渦旋盤的進氣口或者動靜渦旋盤周邊的進氣通道進入工作腔；當主軸轉角為90°時，由于動盤繞著靜盤不斷的旋轉運動，工作腔體容積不斷減小，腔體里氣體壓力不斷增加；當主軸轉角為180°時，工作腔容積逐漸減小且繼續(xù)隨著動渦旋盤的平動向中心靠近，腔內氣體壓力繼續(xù)升高；當主軸轉角為270°時，隨著動渦旋盤的公轉運動不斷靠近兩渦旋盤的中心位置，此時腔體內的壓力值接近排氣的壓力值，當壓力值達到最大值時，動盤繼續(xù)運動，工作腔與排氣口連通，被壓縮的高溫高壓氣體從排氣口排出。渦旋壓縮機在工作時不斷重復吸氣、壓縮及排氣等一系列過程。

3 立銑刀參數(shù)對加工的影響

變截面動靜渦旋盤加工精度要求高，通常采用插補法在三軸或五軸銑床上銑削，刀具為立銑刀，其結構見圖2，主要由刃部和柄部兩部分組成，刃部參數(shù)由刀具前角、后角、鈍圓半徑、齒數(shù)、螺旋角、容屑槽和底刃等組成。

高速銑削基圓內、外圈齒壁面時，刀—工運動關系位置見圖3。加工渦旋盤的過程中，刀具直接影響銑削力、銑削溫度、振動的大小和齒壁面的加工精度。由于變截面渦旋齒壁厚不均勻且加工型線軌跡曲率連續(xù)變化，銑削時更復雜，因此合理選擇刀具參數(shù)直接影響內外齒壁面的質量和齒的變形。

圖2 立銑刀結構

(a)銑削基圓內圈 (b)銑削基圓外圈

4 變截面渦旋盤的高速銑削仿真模型

運用Creo 2.0軟件建立變截面渦旋盤和立銑刀的三維模型，將實體模型導入ABAQUS仿真軟件中。如圖4所示，選擇渦旋盤材料為HT250鑄鐵[11]，其彈性模量E=126000MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7190kg/m3。刀具材料為TiAlO3N硬質合金，彈性模量E=652000MPa，泊松比μ=0.22，密度ρ=15700kg/m3。渦旋盤材料和刀具導熱率和熱膨脹系數(shù)見表1。選擇Johnson-Cook材料本構模型，模型參數(shù)見表2。

在ABAQUS軟件中按照圖2所示的模型實際銑削加工變截面渦旋盤，為了使模擬試驗與實際加工有更好的吻合度，在劃分網(wǎng)格時采用網(wǎng)格重劃分、自適應網(wǎng)格技術及網(wǎng)格收斂技術。網(wǎng)格收斂技術可以獲得最優(yōu)的網(wǎng)格，但網(wǎng)格劃分后計算量大。

從立銑刀的結構可以看出，將銑削刃劃分為多個微段后，每個微段的銑削刃銑削可以看作直線銑削，為了減小計算量和縮短仿真時間，在不影響研究刀具齒數(shù)和螺旋角對銑削力和銑削溫度的條件下，將模型簡化為直線銑削，簡化后的銑削模型見圖5。在軟件中建立刀—工模型，工件尺寸為20mm×10mm，立銑刀直徑10mm、總長75mm以及螺旋角為30°。

圖4 變截面渦旋盤銑削仿真模型

表1 工件和刀具的導熱率和熱膨脹系數(shù)

表2 Johnson-Cook本構模型參數(shù)

圖5 銑削仿真簡化模型

5 仿真結果分析

5.1 刀具齒數(shù)對銑削力與銑削熱的影響

在銑削加工中，立銑刀齒數(shù)直接影響刀具剛性和銑刀的槽型，并影響切屑量和排屑的順暢程度。刀具齒數(shù)越多，立銑刀的容屑槽體積越小，導致切屑不易排出，容熱面積減小，散熱效果減弱；較少齒數(shù)的立銑刀雖容屑槽體積較大，但是排屑不暢。在加工材料強度較大的變截面渦旋盤時，既要考慮刀具強度，也要考慮排屑的順暢性，以便減小齒壁變形。

分別以刀具2齒，3齒，4齒，5齒，6齒為研究對象，用ABAQUS軟件模擬銑削HT250鑄鐵變截面渦旋盤，得到刀具齒數(shù)對銑削力、銑削溫度的影響規(guī)律(見圖6和圖7)。

5.1.1 刀具齒數(shù)對銑削力的影響

由圖6分析得到，刀具齒數(shù)為2齒時，切向力Fx為188.61N，徑向力Fy為66.68N；當齒數(shù)從2齒增加到6齒時，與2齒相比，切向力Fx分別增大了11.7%，23.8%，39.9%，60.5%，徑向力Fy分別增大了47.9%，122.4%，172.5%，201.9%。但齒數(shù)對軸向力Fz的影響較小，齒數(shù)從2齒變化到6齒時，軸向力為78.69N，遠小于齒數(shù)為6齒時的切向力302.72N和徑向力201.3N。

圖6 刀具齒數(shù)對銑削力的影響

當立銑刀齒數(shù)的增加時，則銑削過程中參與銑削的瞬時刀刃數(shù)目增多，每轉進給量增加，提高了材料去除率，導致銑削力增大。從仿真得到的銑削齒數(shù)與銑削力的規(guī)律可以看出，隨著刀具齒數(shù)的增加，切向力Fx、徑向力Fy和軸向力Fz都在增大，切向力Fx和徑向力Fy增大比較明顯，軸向力Fz增大幅度較小。所以在粗精加工變截面渦旋盤時，選擇適當?shù)凝X數(shù)對變截面渦旋盤的銑削質量尤為重要。

5.1.2 刀具齒數(shù)對銑削熱的影響

銑削加工變截面渦旋盤時，立銑刀齒數(shù)越多，銑削時切削量越大，與渦旋盤齒壁擠壓的刀刃數(shù)增多，產(chǎn)生摩擦增大，且齒數(shù)的增多導致容屑空間減小，切屑不易排出，切屑帶走的熱量大幅減小，導致銑削熱增大。立銑刀齒數(shù)對銑削溫度的影響規(guī)律見圖7，在刀具齒數(shù)為2齒時，銑削溫度為151.32℃。而當?shù)毒啐X數(shù)增加到6齒時，銑削溫度為297.89℃，在齒數(shù)從2齒增加到6齒的過程中，銑削溫度分別增大了16.9%，30.1%，53.6%，96.2%，銑削溫度變化較大。其中，當?shù)毒啐X數(shù)從5齒到6齒時，銑削溫度增大的幅度較大，所以當?shù)毒啐X數(shù)大于4齒后對銑削溫度影響幅度更明顯。

圖7 刀具齒數(shù)對銑削溫度的影響

通過上述分析，加工高精度的變截面渦旋盤時，刀具齒數(shù)直接影響變截面渦旋盤高效、高精度和高可靠性，因此加工時需選擇合理的刀具齒數(shù)。

5.2 刀具螺旋角對銑削力與銑削熱的影響

在銑削變截面渦旋盤時，立銑刀的螺旋角與切屑流出方向及排屑順暢程度有關，且不同螺旋角立銑刀刀刃切入及切出工件時間長短不同。增大刀具的螺旋角實際上增大了刀具前角，使得刀刃變得更加鋒利，而螺旋角越大，銑削寬度減小，但螺旋角過大將導致銑削強度較大材料的渦旋盤時，刀具強度不夠，易發(fā)生崩刃及打刀；銑削渦旋盤時，螺旋角過小使得銑削力較大以及渦旋齒變形大。因此，在加工強度較大的渦旋盤時，應選擇合理的螺旋角。

分別以螺旋角30°，35°，40°，45°，50°的立銑刀為研究對象，仿真分析不同螺旋角刀具對銑削力和銑削溫度的影響規(guī)律。

5.2.1 刀具螺旋角對銑削力的影響

將簡化后的變截面渦旋盤銑削模型的銑削過程視為斜角銑削，當立銑刀螺旋角增大后，實際加工刀具前角增大，刀齒更容易切入待加工的齒壁，可減小銑削力。螺旋角對銑削力的影響如圖8所示，隨著螺旋角的增大，切向力Fx和徑向力Fy逐漸減小。在螺旋角為30°時，切向力Fx為293.71N，徑向力Fy為188.96N；而當螺旋角為50°時，切向力Fx為170.84N，徑向力Fy為120.28N，切向力Fx和徑向力Fy分別減小了32.7%和36.3%。而軸向力Fz在螺旋角為30°到40°時，幾乎變化不大，40°到50°時軸向力Fz小幅增大。

圖8 刀具螺旋角對銑削力的影響

5.2.2 刀具螺旋角對銑削熱的影響

立銑刀螺旋角的增大使實際銑削刀具前角增大，刀刃更加鋒利且易切入工件中，消耗能量減少，并且螺旋角增大使刀—屑之間的摩擦減小，因而銑削溫度減小。但螺旋角過大會減小容屑空間，使散熱減弱，銑削溫度會上升。螺旋角對銑削溫度的影響規(guī)律見圖9，隨著螺旋角增加，銑削溫度呈現(xiàn)先減小后變大的趨勢，螺旋角在30°～45°時銑削溫度減小，螺旋角為30°，銑削溫度為297.89℃；而螺旋角為45°時，銑削溫度為200.37℃，銑削溫度減小了32.7%，螺旋角超過45°后銑削溫度開始增大。

圖9 刀具螺旋角對銑削溫度的影響

綜上所述，在高速銑削變截面渦旋盤的過程中，刀具螺旋角對銑削力及銑削溫度的影響較大，為了加工出高質量的變截面渦旋盤，加工時應重視立銑刀螺旋角的選擇。

6 結語

渦旋盤是渦旋壓縮機的核心部件，而刀具幾何參數(shù)的合理選擇直接影響渦旋盤內外齒壁加工質量，通過建立銑削仿真模型，分析了刀具齒數(shù)、螺旋角對銑削力和銑削溫度的影響規(guī)律，為粗加工和精加工變截面渦旋齒時刀具齒數(shù)和螺旋角的選擇提供了依據(jù)和參考。