切削仿真分析（精选7篇）
切削仿真分析 篇1
1 概述
刀具是切削加工不可或缺的重要工具, 刀具性能的优劣直接影响着整个工作母机的生产效率、加工精度以及产品的质量。涂层技术是为了改善高速切削加工中的高热量引起刀具的弹塑性形变, 提高高度的使用寿命。研究结果表面:含涂层的刀具的使用寿命是普通刀具的2倍。
在涂层刀具带来的上述优点的同时, 它会带来刀具缺陷检测带来一定的难度。为此, 本文通过ANSYS对含有缺陷的涂层刀具进行有限元建模, 并对刀具涂层的尺寸 (长度、宽度及深度) 对刀具温度的影响进行详细分析, 为涂层刀具的设计以及其缺陷探测技术奠定理论基础, 对保证加工质量和高可靠性的切削有重要的实际意义。
2 有缺陷涂层刀具温度场仿真实例
刀具在生产加工中将会受到冲击、振动等使其产生缺陷, 这将会降低产品的加工质量和生产效率, 甚至威胁到生产的安全, 因此, 刀具缺陷的实时检测是必不可少的, 尤其对于加工精度高的产品来说更为重要。本文首先用DE-FORM对切削过程进行有限元的建模与求解, 然后将得到的温度场数据来简化边界条件, 使用ANSYS进行给定热源的有限元建模。将已知热源作为已知边界条件加载, 从而求出带有缺陷的涂层刀具的温度场分布。通过ANSYS软件来建立大塑性变形下的切削模型, 生成FEM模型, 再通过对FEM模型的分析以得到刀具温度的分布情况。
2.1 仿真建模对有缺陷涂层刀具的温度场进行仿真时, 主要分为以下几步:
(1) 利用DEFORM建模求解, 图1给出了DEFORM中工件和刀具的有限元模型及刀具的温度场分布情况。 (2) 根据刀具的尺寸建立其几何模型, 并导入ANSYS, 进行网格划分。 (3) 确定热边界条件。 (4) 根据上述步骤, 运行ANSYS得到仿真结果。
2.2 结果分析
(1) 缺陷长度对刀具温度的影响仿真中, 假设刀具缺陷的宽度和深度为0.12mm×0.18mm, 其深度分别为0.2mm、0.3mm和0.4mm时涂层刀具的温度场如图2 (a) 所示。
由图2 (a) 可知, 在保持缺陷宽度和深度不变的情况下, 缺陷越长, 缺陷靠近刀尖一侧表面温度越高。
表1给出了在保证缺陷宽度和深度不变的情况下, 不同缺陷长度时刀具的最高温度。表1表明:刀具的最高温度随着缺陷长度的增加而升高。
(2) 缺陷深度对刀具温度的影响缺陷宽度和长度为0.12mm×0.3mm, 其深度分别为0.03mm、0.09mm和0.15mm时涂层刀具的温度场如图2 (b) 所示。可知, 缺陷宽度和深度恒定, 无缺陷刀具在靠近刀尖位置时的表面温度高于有缺陷时的温度, 且其表面温度随着缺陷深度的增加而升高。
表2对比了存在缺陷时刀具的最高温度随着缺陷深度的变化情况。可知, 有缺陷时刀具的最高温度随着缺陷深度的增加而升高。
缺陷的宽度对刀具温度的影响可采用上述方法进行分析, 由于篇幅原因, 这里没有给出其图形, 仅总结出其变化规律。
规律如下:涂层刀具的最高温度随着缺陷宽度、长度、深度的增加而升高, 其表面温度随着距离刀尖位置的增加而降低。
3 结论
本文通过DEFORM和ANSYS对刀具在有无缺陷的温度场进行有限元建模仿真, 并详细给出了刀具的表面温度和最高温度随缺陷宽度、深度及长度的变化规律。为在实际应用中进行涂层刀具的缺陷检测技术提供一定的理论依据。
摘要：针对含有缺陷的涂层刀具, 利用ANSYS软件建立其切削过程的三维仿真模型, 详细分析了缺陷的尺寸 (长度、宽度、深度) 对刀具温度变化的影响, 为刀具缺陷的检测提供理论依据。
关键词：涂层刀具,DEFORM,高速切削,有限元模拟
参考文献
[1]王宝友, 崔丽华.涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向[J].机械, 2002, 29 (4) :63-65.
[2]林俊明.电磁 (涡流) 检测技术现状及发展[J].航空制造技术, 2004, 9:40-41.
[3]路勇, 姚英学.模糊神经网络在刀具磨损检测中的应用[J].机械制造, 2003, 41 (3) :47-49.
切削仿真分析 篇2
异型石材多功能复合加工中心SYH4608具有八轴双五联动数控加工功能,主要用于高档异型石材制品的加工。然而对于具有复杂曲面的石材制品,经过自动编程生成的刀具路径和NC程序十分复杂,加工过程中刀具轴矢量变化频繁。优化加工工艺与切削参数是实现高效数控加工的必需环节,正确合理地选择切削参数对确保产品质量、提高生产率、降低生产成本起着十分重要的作用。
近年来,随着数控(NC)技术的普遍应用,以及各种先进制造技术的迅速发展,生产辅助时间大大降低,相应地,切削时间所占的比重就大大提高。因此缩短切削加工时间,对提高生产率起着重要的作用。
加工仿真技术是在实际加工前,通过模拟真实的加工条件,对加工过程进行仿真和预测的一种现代计算机技术。通过VERICUT加工仿真,改进加工程序,优化能够保证刀轨具有最佳的进给率或主轴转速,能够消除多种不必要的因素,如过于保守的进给率、在空程时仍然使用切削进给率等,在最短的时间内生产出高质量的零件,达到切削参数的优化,有有效的实用价值[1]。
本文以异型石材典型的制品——罗马柱为例,通过使用VERICUT软件建立的机床虚拟模型对UGNX自动生成的NC加工程序进行加工过程仿真,并进行优化。
1 加工中心仿真建模
1.1 加工中心建模
机床为异型石材多功能复合加工中心SYH4608[2]。Y轴部件为双立柱进给;X轴为滑鞍,沿横梁上横向移动,与Y轴垂直;雕铣头沿Z1垂直进给,绕B摆动;锯片车铣头沿Z2垂直进给,绕C摆动;旋转工作台在C轴上;卧式旋转工作台在A轴上。
加工中心模型主要由几何模型和运动学模型组成,要求不仅具有与实际机床类似的外观,而且其结构与运动方式也要与实际机床相同,然后再建立其它制造资源如刀具、工件和夹具等的几何模型,指定刀位轨迹或NC程序,并配置相应的参数,最后实现对加工工程的仿直和优化。
在VERICUT中,使用组件树(Component tree)描述机床的运动学模型。先建立机床的组件树,然后再建立其几何模型(Model),从而得到机床的仿真模型,有利于对整个模型概念的清晰把握,高效率的建模而且不易丢失个别部件,降低日后纠错的难度。加工中心3D模型如图1所示:
1.2 模型辅助设置
整个模型完成后,要为其配置控制系统,VERICUT自带一些通用的控制系统文件,方便选择,如果控制系统不存在,还可以自己把已有的控制系统加入到控制系统库文件中。笔者自建沈阳蓝天数控NC110系统。根据实际情况选择刀具,建立刀具库,添加夹具和毛坯实体,调入加工需要的NC程序,设定相应的参数。
进行加工过程的仿真。仿真时,一方面可以通过对模型进行缩放、旋转、截切剖面等操作并结合系统提供的LOG日志文件,观察工件的加工和干涉情况,并进行尺寸测量和废料计算;另一方面,还可以利用系统提供的AUTO-DIFF模块,进行加工后模型和设计模型的比较,以确定两者间的差异以及过切和欠切情况。
2 仿真加工及优化
2.1 设备及刀具
异型石材多功能复合加工中心SYH4608是在国外先进的石材机械发展的前提下,根据国内市场的需求和国际石材机械的发展趋势,自主研发的加工中心,旨在具有单机多功能化、高速高效化、人性化、环保等多种国际先进水平。本次加工仿真使用,X、Y、Z以及雕铣头和卧式旋转工作台的五轴联动。以下再做主要参数如下:
1)加工中心:S Y H 4 6 0 8车铣复合加工中心,机床额定功率P=1 3 k W,主轴转速n=8000~12000rpm,进给速度vfmax=0~2250mm/min。
2)工件材料:花岗岩,尺寸为:R250mm×H1300mm。
3)刀具:刀具参数T1为:外径254mm,齿宽3.2mm,板厚4mm,齿数50T,金刚石锯片;刀具参数T2为:R=2mm,H=50mm,刀齿数Z=2,金刚石球头铣刀。
4)加工要求:加工异型石材典型制品罗马柱外形柱身,分锯片开粗和铣刀精加工两步完成。
2.2 加工仿真
使用VERICUT进行加工仿真,不但能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程,还能逼真地显示刀具、夹具、机床的运行过程和虚拟的工厂环境,在准备工作完成后,通过VERICUT有下角的Reset复位,进行仿真结果如图2所示。
2.3 刀具轨迹与切削参数优化
通过读入NC刀具轨迹文件将走刀划分成许多细小的运动,再根据程序各段的材料去除量,为各段切削设定了最佳进给速度或主轴转速,输出了一个等效于原始文件但又改善了进给速度或主轴转速设置的新的刀具轨迹文件,但并没有改变刀具轨迹,所以不会出现错误的加工结果。
2.3.1 数学优化函数
当工件、刀具、机床参数都确定后,影响生产效率的主要因素为切削速度νc、进给速度νf、切削深度(轴向切深)ap和切削宽度(径向切深)ae。
切削速度主要由主轴转速决定,公式如下:
进给量由没齿进给决定,公式如下:
其中,z为齿数,n为转速
由公式(1)(2)看出,主轴转速同时决定切削速度和进给速度。在变量设计上,重点考虑主轴转速的作用,基于VERICUT的优化设计主要针对生产实践中常用的最高生产率为目标函数,即最短加工工时,是时间函数,公式如下:
其中:
由此推断出时间函数tw是以主轴转速n,进给速度vf,切削深度ap,切削宽度ae等4个变量构成的时间函数:
为了正确地进行切削加工参数的优化,应全面考虑切削加工过程中的约束,尤其是主要约束条件不能遗漏,本次研究重点考虑机床功率的约束、切削力的约束、切削速度约束、表面粗糙度约束等。
切削功率应小于加工中心提供的的有效功率:
其中,Fc为圆周铣削力,Vc为铣削速度,e为机床利用率;
实际切削进给力不能超过最大允许进给力:
其中,Fx为轴向进给力,Fy为径向经给力,Fmax为最大允许切削力;
切削速度应该满足加工中心主轴转速约束:
其中,nmin、nmax分别为加工中心最低和最高主轴转速;
零件加工要达到其表面粗糙度要求[3]:
其中,Rmax为最大表面粗糙度;rε为刀具刀尖半径。
2.3.2 优化方法
本研究采用VERICUT的优化模块进行求解,它的优化设置是用户可选择的。根据优化过程所调整加工工艺参数的不同,VERICUT优化模块提供了五种优化方法:进给速度与深度法、切除率定常法、表面切削速度定常法、空行程切削法以及切削厚度定常法。本研究利用了进给速度与深度法来优化该模型。这种方法是通过VERICUT的Optipath优化模块,主要优化刀具轨迹管理器来生成一个刀轨优化库文件。优化刀具轨迹库实际上是一个可以包含多把刀具及在不同切削参数下的加工工艺的数据库,利用“Project”树中的刀具项激活刀具库文件,选中指定要添加优化的刀具后,“Add”>“Optipath”>“New”激活如图3所示的刀具轨迹优化窗口,优化参数如图4所示:
启动优化文件,运行加工仿真,输出优化结果。优化是在刀具移动模拟过程中被同时执行,而且优化后得到轨迹数据被写入专门的优化刀具轨迹文件中,当模拟过程结束时,优化自动停止。
2.3.3 优化结果分析
仿真优化过程中,可以随时变化角度观察仿真情况,机床的运动状态完全与实际加工中机床运动状态相同。优化数据可以通过Status和Graph窗口观察到,如图4所示:
复合加工过程中,优化刀具轨迹可平衡各个工步在各个加工阶段的切削量,从而平衡刀具载荷,使载荷保持在刀具使用的合理范围之内,以提高刀具寿命和加工效率。由上图4观察得知,仿真优化后,异型石材典型制品——罗马柱的加工时间由800min缩短为553.99min,提高了加工效率38%。经过优化加工参数后大大减少了切削时间,提高了机床的利用率,取得了较明显的优化效果。
分析优化后的G-code后,发现仿真主要减少了程序中空走刀,空切时间优化百分比如图4为20%,并且优化提供了刀具切削运动的速度补偿等。通过Graph图的观察锯片加工和球头铣刀两部分都得到了优化,相对来说球头铣刀部分优化较多,主要原因是改精加工部分G-code空走刀比较多,切削量小,采用环形走刀,走刀时间长。
3 结论
本文基于VERICUT软件在尺寸标准一致的基础上,构建了异型石材多功能复合加工中心SYH4608的数字模型,并以典型异型石材罗马柱为例,进行了加工仿真。通过优化切削参数,获得合理的进给量和主轴转速,使工件的加工时间缩短了38%。该方法对缩短切削加工时间,提高生产率起着重要的作用,为降低加工成本提供了有效的途径。
摘要：对新开发的八轴双五联动数控异型石材多功能复合加工中心进行虚拟建模,建立了基于VERICUT切削参数的优化模型,分析多种不同的优化方法。进行了异型石材典型制品——罗马柱仿真加工研究。最终改进和优化不合理的加工轨迹,避免了实际加工过程中可能出现的异常现象,提高了数控机床加工功能和设计效率,降低了新产品研发的成本。
关键词：VERICUT,异型石材,刀具,仿真,优化
参考文献
[1]李云龙,曹岩.数控机床加工仿真系统VERICUT[M].西安交通大学出版社,2005(9).
[2]吴玉厚,吴岗,张珂,陆峰,韩麟,蒋昭霞.异型石材多功能数控加工中心关键部件的模态分析[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2009,25(1).
[3]艾兴,肖诗纲.切削用量简明手册[M].机械工业出版社,1994.
[4]Chen,Shang-Liang,Wang.Wen-Tsai.Computer aided man-ufacturing technologies for centrifugal compressor impellers[J].Journal of Materials Processing Technology,2001(9).
[5]牟小云.基于VERICUT的数控机床建模技术[J].自动化与控制,2008(1).
切削仿真分析 篇3
近年来,随着国家对“三农”问题扶持力度的加大,各高校和科研院所对土壤切削及耕作力学进行了大量研究,研究分析方法主要包括传统的分析方法、离散单元法( Discrete Element Method,DEM) 和有限单元法( Finite Element Method,FEM)[1]。
传统分析方法假定土壤为刚塑性体,通过土壤切削试验分析土壤的破碎机理,运用数学物理方法,建立受力平衡方程组,并进行求解,求出耕作器具切削土壤阻力。由于不同的耕作部件耕作土壤会产生不同的阻力,因此传统的分析方法只适用于特定耕作部件的研究。
离散单元法基于牛顿第二定律,进行静平衡求解。在解决岩石块体、颗粒流动和破碎等非线性问题方面有着独到优势。但是,离散单元法计算量大,求解速度慢,限制了其广泛应用。同时,离散单元法忽略了模型中的接触非线性,导致计算结果不精确[2]。
有限单元法建立在固体流动变分原理之上,基于连续体介质力学,借助现代计算机求解技术,在现代设计方法中得到了广泛应用。由于土壤切削过程涉及到大变形、高度非线性等问题,如运用有限单元法对土壤切削进行数值分析计算,会因网格的畸变,造成求解的不收敛。
SPH( Smoothed Particle Hydrodynamics ) 算法是一种拉格朗日方法[3],在解决大变形、高速碰撞、爆炸等高度非线性的问题方面有着广泛的应用,但它在边界约束处理方面较为不便。
FEM在计算连续体介质的力学变形具有较高的效率和精度,SPH算法在模拟大变形、大破坏及高度非线性具有较大的优势。因此,将FEM与SPH算法进行耦合,在较大变形区采用SPH算法,较小变形区采用FEM算法,能够最大限度地发挥两种方法的优点,从而保证计算求解的精度和效率。
为了解决上述问题,基于有限单元法和SPH算法的特点,采用FEM和SPH耦合算法,以微耕机III型旋耕刀为例,对土壤切削过程进行了仿真研究。
1 FEM - SPH 耦合算法
SPH计算过程与FEM方法相似,都是基于连续体力学理论进行插值计算。二者的主要区别在于SPH算法将连续体离散成相互作用的粒子,而FEM则把连续体离散成连续作用的单元[4]。
SPH算法用积分表示法来近似场函数,通过相邻SPH粒子的核心估计值 ( Kernel Estimate) 进行积分求和。SPH质点核函数定义为
其中,W为光滑核函数,用公式表示为
式中h—光滑长度;
d—维数;
θ( x)—辅助函数;
W( x,h) —强尖峰函数。
辅助函数通过3次B—样条曲线定义,计算式为
其中,C为归一化场量; u为自变量。
光滑核函数W是偶函数[5],需满足如下条件
第1个条件是归一化条件,有
第2个条件是光滑长度趋于0时具有狄拉克函数性质,有
第3个条件是紧支性条件,有
其中,κ是点x处光滑函数相关的常数。
FEM与SPH的耦合通过固连点 - 面接触( TIED NODES - TO - SURFACE) 实现[6],如图1所示。SPH粒子绑定约束在FEM网格单元上[7],SPH粒子与网格单元之间的作用力运用罚函数约束进行传递[8,9]。
2 仿真模型
2. 1 FEM - SPH 耦合仿真模型的建立
在三维软件Pro /E中建立旋耕刀三维实体模型,以文件中间格式( 如iges和stp) 保存旋耕刀三维模型,运用网格划分软件HYPERMESH进行实体单元的离散,建立旋耕刀的有限元模型。由于旋耕刀具有较多的曲面,为了使仿真计算更好地收敛,对旋耕刀进行全六面体网格单元划分,如图2所示。
运用Pro /E软件建立土壤的三维模型,尺寸大小为600mm×600mm×400mm,在HYPERMESH中划分均匀六面体,导出K文件,建立土壤的有限元模型。运用LSTC公司的LS - PREPOST前后处理器建立变形区域的SPH粒子,粒子数目为102 400,建立的仿真模型如图3所示。
2. 2 土壤材料
土壤作为一种多孔介质,参数多而复杂( 如土壤密度、容重、土粒密度和孔隙度等) ,对于土壤材料的选择一直是 个难题。采用LS - DYNA程序中的MAT147( FHWA - SOIL) 材料作为研究对象,该材料基于Mohr - Coulomb屈服准则,并修正了Drucke - Prager( D - P) 塑性模型[10,11],且该材料增加了塑性硬化、含水率、应力软化和变形率等参数,能够比较好地反映土壤特性,所取土壤材料的参数如表1所示。
2. 3 边界条件
为了加速求解,定义旋耕刀为刚体[12,13]。SPH粒子均匀布置,对FEM - SPH土壤模型施加SPC约束,限制土壤的两侧面和底面自由度; 添加无反射边界条件( NON - REFLECTING) ,模拟地球物理学系统的无限大空间; 耕深为110mm,耕宽为30mm。旋耕刀与土壤间的接触形式定义为点 - 面接触[14],滑动界面惩罚因数0. 2,动摩擦因数为0. 18,静摩擦因数0. 20[15]。图4为某时刻土壤切削仿真。
3 仿真结果分析
3. 1 切削力分析
在实际耕作过程中,旋耕刀受到的是交变载荷,受力比较复杂。主要受到前进方向的阻力Fx和竖直方向的阻力Fy,此二力的合力称为切削力[16,17]。由图5可看出,在切削过程中,在旋耕刀切削土壤的初始阶段,由于切削力的作用,土粒之间的结合键被破坏,土壤发生失效断裂; 随着旋耕刀与土壤的接触面积增加,耕作深度加深,更多的土壤被切削,切削力逐渐增加,在耕深最大处,切削力达到最大值; 随着旋耕刀出土,耕深变浅,切削力减小。此现象与实际耕作现象土壤的破坏及受力大小的变化一致。
由旋耕刀力矩和功率公式[18,19],有
其中,T为力矩( N·m) ; Fx为水平阻力( N) ; Fy为垂直阻力( N) ; L0为接触长度( m) ; t0为旋耕刀切削土壤时间( s) 。
旋耕刀的切土功率为
其中,P为旋耕刀切土功率( W) ; vm为旋耕刀前进速度( m /s) 。
计算出旋耕刀的单刀切土扭矩为8. 75 N·m,与文献[19]的计算结果及合盛1Z - 80微耕机旋耕刀的扭矩试验结果相接近( 最大扭矩为10. 5 N·m) ,验证了土壤切削仿真的可靠性。
3. 2 切土能量分析
旋耕刀切削土壤的总能量主要包括自身运动动能和内能[20],在耕作过程中二者相互转化,如图6所示。在0 ~ 0. 052s之间,旋耕刀切土深度较浅,此时旋耕刀的总能量主要是指旋耕刀的动能; 而内能较小,随着旋耕刀切削土壤的深度加大,土壤内能显著增加,土壤总能量增加较快。由于旋耕刀旋转速度和前进速度不变,因而旋耕刀动能不会增加,土壤总能量的增加主要是指内能的增加。在0. 2s时刻旋耕刀出土,内能不再增加,切土能量保持平稳。
4 试验设计
为了得到耕作深度、耕作幅宽、前进速度和旋转速度对微耕机耕作效率的影响,建立4因子3水平正交试验表,如表2所示。
5 试验结果分析
由表3可分析知,当耕作幅宽从30mm增大到50mm时,功率从62. 51W增加到194. 24W。结果表明: 耕作深度比耕作幅宽对切土功率的影响显著; 耕作深度为主导因子,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。
由表4极差分析可知,耕作深度对切土功率影响最为显著。各个因子对功率的影响强弱顺序为A→B→D→C,即耕作深度、耕作幅宽、旋转速度和前进速度。
由表5方差分析知,所得结论与表4极差分析一致,再次说明了耕作深度对切削土壤的功率影响最大。
6 结论
通过运用三维实体造型软件Pro /E和专业网格划分软件HYPERMESH软件以及LS - DYNA前后处理器LS - PREPOST,建立了旋耕刀和土壤的FEM - SPH耦合仿真模型。
基于FEM - SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS - DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。研究结果表明: 基于FEM - SPH耦合算法,可有效地解决土壤切削大变形问题地能真实的反映土壤耕作过程。通过理论计算出旋耕刀切土扭矩·为8. 75Nm,与试验结果相接近。
切削仿真分析 篇4
硬切削加工作为精加工中代替传统磨削加工,在轴承、齿轮、航空航天等领域得到广泛应用。目前,已有国内外学者对硬切削及其残余应力进行了相关的研究。Wen等[1]运用有限元方法模拟研究加工表面残余应力的分布规律,其结论与实验结果十分接近。李万钟等[2]以GCr15轴承钢为研究对象,通过有限元分析的方法得到了加工表面残余应力的分布规律。盆洪明等[3]在Abaqus中采用剪切失效准则,单元删除技术和自适应网格划分技术,仿真得到切削宽度对切削温度、切削力和已加工表面残余应力的影响规律,与实验结果较吻合。然而,针对硬切削方面的研究主要还集中在机理方面,对于通过硬切削释放残余应力方面的研究则很少。
本研究基于Abaqus有限元平台,首先通过热力耦合瞬态分析获得GCr15轴承钢关节轴承冷挤压装配模型,其次通过热力耦合稳态分析得到冷却、回弹后的关节轴承外圈模型,最后通过热力耦合瞬态分析方法建立PCBN刀具多次车削带有残余应力的轴承外圈模型和冷却、回弹模型。
1 硬切削过程的材料本构模型
1.1 材料的本构模型
工件的材料为GCr15轴承钢,硬度为60 HRC~62 HRC,刀具采用PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具,工件材料GCr15和刀具材料PCBN的材料属性[4]如表1所示。
金属硬切削过程伴随着极小范围内的高应变、高应变率和瞬间高温升等问题,是一个热力耦合作用的典型过程。因此,选择现代金属切削仿真过程中应用最为广泛的Johnson-Cook材料模型作为GCr15轴承钢材料的塑性本构关系,该模型描述了应力、应变、应变率和温度之间的关系。
J-C模型的一般形式为[5]:
式中:—等效塑性应力;—等效塑性应变;—塑性应变率;—初始塑性应变率,通常取1.0s-1;θ—当前温度,θ=(1-D);θtransition—转变温度,设在室温25℃以下时,材料性能与温度无关;θmelt—工件的熔化温度(GCr15的融化温度是1 424℃);A—初始屈服应力;B—硬化系数;C—应变率系数;n—加工硬化指数;m—温度软化系数。
根据文献[6]提供的数据,GCr15轴承钢的Johson-Cook材料本构模型参数如表2所示。
1.2 材料损伤初始准则
为了能够更真实地反映切削过程的本质,本研究采用基于单元积分点的等效塑性应变来定义损伤参数w,当w的值达到1时,材料被判定为开始损伤,w的表达式为[7]:
式中:—单元积分点的等效塑性应变增量,—临界等效塑性应变。
上式的累加过程持续整个分析的所有增量步。
本研究采用Johson-Cook失效应变准则作为GCr15轴承钢材料的初始失效准则,其临界等效塑性应变表达式为[8]:
式中:—临界等效塑性应变,—无量纲塑性应变率比值,p/q—静水压应力与偏应力比值。
、p/q和(1)式定义的温度项θtransition与θmelt确定,失效参数d1~d5可通过圆筒爆炸实验获得。
根据文献[9]提供的数据,GCr15轴承钢的Johson-Cook材料损伤模型参数如表3所示。
1.3 材料的损伤演化
材料的损伤演化准则用于定义材料从开始损伤直至失效的演化过程。材料损伤演化过程中,应力矩阵σ变化值为:
式中:—等效应力矩阵;D—刚度衰减因子,取值[0,1],当D=1时,刚度为0,材料完全失效。
由于材料发生初始损伤时的位移很难通过测量的手段获得,本研究采用基于断裂能的损伤演化准则作为切削分离时的损伤演化准则。根据断裂力学能量理论,由材料的断裂韧度和材料参数建立裂纹失稳扩展的能量判据,断裂能量Gf为:
式中:υ—泊松比,E—弹性模量,KIC—材料的断裂韧度。
刚度因子的衰减方式采用线性衰减,可以得到刚度衰减因子D的表达式为:
式中:—等效塑性位移。
GCr15轴承钢材料的断裂韧性KIC为15 MPa·m1/2~20 MPa·m1/2[10],计算得到材料断裂能量Gf为0.975 m J·mm-2~1.733 m J·mm-2。在Abaqus中结合单元删除技术,即可将失效单元删除,形成切屑。
1.4 接触摩擦模型
切削加工过程中,刀具与工件之间的接触摩擦对工件加工精度和刀具的磨损都有很大的影响。刀尖附近与材料的接触和摩擦比较剧烈,在高温高压作用下,金属材料与刀具发生粘结现象;在远离刀尖的地方,材料与刀面间的压力也较小,金属切屑和刀具之间为滑动摩擦。因此,切屑与刀具接触区域内存在两种不同的接触状态,滑动区内的摩擦应力满足库仑摩擦定律,黏结区内各点的切应力基本相同[11],即:
式中:τf—刀屑接触面的摩擦应力,μ—摩擦系数,δn—法向应力,τs—工件材料临界剪切屈服强度。
实际的切削过程中摩擦系数会随着接触压力和温度的变化而变化,但是硬切削深度很小,要建立准确的摩擦系数较为困难,因此,本研究根据刀具和工件材料的性能,采用平均摩擦系数。
由于摩擦而产生的所有能耗为[12]:
式中:μ—摩擦系数,—相对滑移率,Δs—一个增量步内的滑移,Δt—增量步时间。
因此,分配到每个接触面上的热流量分别为:
式中:qA—摩擦发生过程中进入从面的热流量,qB—摩擦发生过程中进入主面的热流量,η—摩擦产生热量的转化率,f1—热能向从面传递的比率,f2—热能向主面传递的比率。
高速切削的过程中,由于金属剧烈的塑性变形功以及刀屑之间的摩擦功转化为热能,在有限元理论中,金属切削的热传导偏微分方程表示为[13]:
式中:k—材料的热传导率;—等效应力;ρ—材料的密度;c—材料的比热容;J—热功当量系数;u,v—x,y方向的速度分量;Wh—机械能转化成热能的系数。
依据参考文献[14,15]的描述,取Wh为0.9;取摩擦产生热量的转化率η为0.9;摩擦产生的热量按照默认的比率f1、f2分配给工件和刀具。
2 硬切削过程的有限元模型
以某型号关节轴承为研究对象,轴承内圈材料为9Cr18Mo,轴承外圈材料为GCr15,衬垫材料为聚四氟乙烯浸渍玻璃纤维,本研究采用轴对称模型对关节轴承挤压装配过程进行热力耦合瞬态分析。挤压装配原理、有限元网格划分和边界载荷约束条件参考文献[16]进行设置。其中下模固定不动全约束,上模以40 mm/s的速度朝-Z方向运动;上、下定位套以20 mm/s的速度朝-Z方向运动;挤压终了时轴承内、外圈相对位置不变。为减少复杂的约束设置、提高计算效率,本研究对轴承内圈内侧面施加R方向的位移约束替代芯轴的作用。整体模型温度边界条件为25℃。有限元模型采用CAX4RT单元,共划分8 525个单元,8 452个节点。
关节轴承挤压装配原理图如图1所示。
挤压装配分析完成后,对关节轴承进行冷却、回弹分析。该阶段模拟关节轴承外圈的自由回弹的过程,删除挤压装配模型中的上、下模、上、下定位套、衬垫和轴承内圈,为了防止回弹过程中外圈的自由移动,应约束轴承内圈中点Z方向的自由度。本研究将挤压装配分析得到的应力、应变、温度场作为回弹冷却分析的初始状态,对关节轴承施加温度边界条件,冷却至25℃。自润滑关节轴承回弹分析有限元模型如图2所示。
a—上定位套;b—轴承内圈;c—衬垫;d—轴承外圈;e—下定位套;f—上模;g—下模
采用热力耦合稳态分析的方法,最终得到冷却后的关节轴承,其外圈残余应力云图如图3所示。
从图3可以看出,残余应力明显集中于轴承外圈端部和中部,最大应力值发生在外圈中部,值为2 493 MPa。如此小范围、高应力区域,将极大影响工件的使用寿命。在实际生产中,轴承外圈也需要被切削掉一部分,一方面能够得到平整的表面,另一方面也可以减少残余应力对工件的不良影响。为了探究硬切削加工对轴承外圈残余应力的影响,该模型将被用来完成硬切削有限元仿真分析。
本研究分析前将复杂的硬切削模型进行如下简化,以提高收敛性和计算效率:分析对象仅为轴承外圈,不考虑内圈和衬垫。因为硬切削过程中,相比于轴承外圈受到较大的切削力,衬垫和轴承内圈受到的压力可以忽略。模型简化为正交切削,仅分析刀具的轴向进给对切削产生的影响。假设刀具是绝对锋利的刚体,刀尖半径为0。
建立基于热力耦合瞬态分析的硬切削有限元轴对称模型,刀具前角为-6°,后角为-6°,刀具平行于对称轴向下运动,刀具进给速度为1 m/s[17]。轴承外圈的边界条件为外圈内侧全约束。工件和刀具的初始温度场均为25℃。一共切削4次,每次切削深度均为0.2 mm。工件采用CAX4RT单元,刀具采用CAX3T单元,该有限元模型共划分5 688个单元,5550个节点。
硬切削仿真有限元模型如图4所示。
3 仿真及结果分析
3.1 硬切削对残余应力的影响
轴承外圈等效应力的变化与切削次数之间的关系如表4所示。分布规律如图5所示,其中图5(a)表示未切削状态,图5(b)、5(c)、5(d)、5(e)分别表示第一次、第二次、第三次、第四次切削状态。
从表4可以发现,随着切削次数的增加,最大等效应力不断减小。当第四次切削完成时,外圈尺寸符合产品标准时,最大等效应力减少了21.2%。
由图5的等效应力分布规律图可以发现,随着切削次数的增加,应力集中区域面积减少,应力值不断减小,轴承中部和端部区域的应力分布趋于缓和。
切削过程中不同时刻等效应力图如图6所示。
硬切削过程中等效应力的变化规律,可从一次硬切削过程的应力变化来解释。最大应力区域总是发生在工件材料即将分离出切屑的地方,该区域工件材料受到刀具的挤压,产生强烈的塑性变形和大量的热量。刀具工作过程中,等效应力集中区域的分布范围会扩大,并向刀尖产生应力集中的区域靠近,图6所示的A区域,等效应力明显过高。最终又随着切屑的形成,等效应力有所减小。加工表面呈现相对较小的应力状态。
残余应力分布图如图7所示。
第四次切削完成后,对关节轴承外圈进行冷却、回弹分析。由于工件在自然状态下的冷却和回弹是不受约束的,因此,在仿真模型中需要删除切削加工阶段施加在轴承外圈内侧面的边界条件。为了防止冷却和回弹分析过程中轴承外圈轴向的自由移动,可通过约束轴承外圈内侧中点的Y方向位移来解决该问题,约束位置在图7中以三角形标出。轴承外圈冷却的温度边界条件为25℃。冷却和回弹分析后,得到轴承外圈残余应力分布规律如图7所示。比较图7和图5(e),可以得出切削冷却、回弹前后的残余应力变化规律。切削冷却、回弹后的轴承外圈内侧和两端的残余应力有明显的减小,整体应力呈下降的趋势,但最大应力有所上升,发生在图7所示的B区域,最大残余应力为2 015 MPa,与切削前相比,残余应力减小了19.1%。
3.2 硬切削对轴承内外圈间隙的影响
关节轴承外圈切削冷却、回弹必然会影响轴承内外圈间隙,因此,需要探究硬切削对关节轴承外圈回弹的影响规律。本研究在Abaqus的后处理模块中,沿轴承外圈内侧面上的节点设置一条路径,用于记录回弹前后对应节点的坐标变化,将得到的数据相减,绘制得到如图8所示的硬切削冷却、回弹后轴承外圈内侧面的回弹量,Y轴正值表示对应节点朝+R方向扩大,负值表示对应节点朝-R方向收缩。由图8可知,经过切削冷却、回弹后的轴承外圈呈现两端向轴心收缩,中部朝径向扩大的趋势,回弹最大值与最小值之差为0.066 2 mm。
硬切削冷却、回弹后关节轴承外圈内侧面回弹量如图8所示。
自润滑关节轴承密合度大小是检验其是否合格的关键指标[18]。因此,需要对关节轴承密合度的变化进行分析。在Abaqus的后处理模块中,测量得到硬切削前轴承内外圈间隙,将该间隙与图8的硬切削冷却、回弹后关节轴承外圈内侧面回弹量叠加,得到硬切削冷却、回弹后轴承内外圈间隙,如图9所示。
对比两条曲线可以发现,硬切削冷却、回弹后的关节轴承内外圈间隙变化趋势比硬切削前的间隙更加平缓,即轴承密合度更高。关节轴承内外圈间隙波动值t由最大间隙与最小间隙之差表示,该值由切削前的0.053 6 mm减小到切削冷却、回弹后的0.042 6 mm,减小幅度达到20.5%,小于SAE AS81819标准:t<0.076 mm。说明硬切削后的关节轴承密合度达到合格标准。由图9可以发现,轴承密合度改善的原因在于,硬切削前轴承内外圈间隙中间小,两端大,而与硬切削冷却、回弹的趋势与此相反,所以叠加后能够得密合度更加均匀的轴承内外圈间隙。
硬切削前后关节轴承外圈X方向的应力S11云图如图10所示。
硬切削对轴承密合度的影响规律,可通过分析硬切削前后轴承外圈X轴方向的应力S11变化情况反映出来。通过比较图10(a)和图10(b)可以发现,切削后的轴承外圈相比切削前的轴承外圈,压应力集中区域C消失,但是出现了拉应力集中区域D;拉应力集中区域E减小,但是产生了压应力集中区域F。对比图10(b)和图10(c)可以得到,切削后的轴承外圈相比切削后冷却、回弹的轴承外圈,拉应力集中区域D明显消失,这是由于轴承外圈内侧失去了约束,工件材料朝X轴正方向的弹性变形平衡了该区域的拉应力;压应力集中区域F也消失了,这是因为工件材料朝X轴负方向的弹性变形平衡了该区域的压应力。这与图8所反映的硬切削后关节轴承外圈内侧面回弹规律一致。
4 结束语
本研究采用有限元方法取代传统的实验分析,成功模拟出了PCBN刀具硬切削带有残余应力的GCr15轴承钢轴承外圈过程,更加直观地得到硬切削对带有残余应力的轴承外圈应力分布和关节轴承密合度的影响规律。随着切削次数的增加,应力集中区域的应力不断释放,经过4次切削,每次切削深度为0.2 mm,等效应力最大值下降了21.2%,经回弹、冷却后,轴承外圈残余应力的分布相对均匀,整体残余应力水平有所降低,但最大残余应力略有上升,相比切削前下降了19.1%。挤压装配后轴承外圈的回弹趋势为两端间隙变大,中部间隙减小,而硬切削后冷却、回弹的趋势,恰好与挤压装配冷却、回弹的趋势相反,相比切削前,轴承内外圈间隙波动值t减小幅度达20.5%。
高速切削加工工艺分析 篇5
高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具, 利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备, 以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。
随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用, 机械加工的辅助工时大为缩短, 这使得切削工时占去了总工时的主要部分, 因此, 只有提高切削速度和进给速度, 才有可能在提高生产率方面出现一次新的飞跃和突破。这就使得高速加工技术得以迅速发展。
高速切削不同工件材料时, 所用的切削刀具、工艺方法以及切削参数均有很大不同, 掌握高速切削工艺特点是高速切削应用技术中的一个重要环节。
1高速切削轻金属
铝是飞机和各种航天器零部件的主要材料, 也是机器和仪表零部件的常用金属。它的相对密度很轻, 经过适当处理的铝合金材料, 其强度可高达540 MPa。近年来铝合金在汽车和其他动力机械中的应用也逐渐增多。铝镁合金大多使用铸件, 这些轻合金的最大优点在于其固有的易切特性。
加工轻合金的优越性主要表现在:①切削力和切削功率小, 大约比切削钢件小70%;②切屑短、不卷曲, 因而在高速加工中易于实现排屑自动化;③刀具磨损小, 用涂层硬质合金、多晶金刚石等刀具在很高的切速下切削轻合金材料, 可以达到很高的刀具寿命;④加工表面质量高, 仅采用少量的切削液、在近乎干切削的情况下, 不用再经过任何加工或手工研磨, 零件即可得到很高的表面质量;⑤可采用很高的切削速度和进给速度进行加工, 切削速度可高达1 000 m/min～7 500 m/min, 高速加工使95%以上的切削热被切屑迅速带走, 工件可保持室温状态, 热变形小, 加工精度高。
由于在轻金属的高速切削过程中存在较大的冲击载荷, 聚晶金刚石和立方氮化硼刀具的寿命特性并不好。高速钢也不适合于加工轻金属。
当切削速度达到1 000 m/min时, 可使用K型硬质合金刀具;当切削速度达到2 000 m/min时, 应使用金属陶瓷刀具;当用更高切削速度加工时, 特别是切削低熔点的硅铝合金材料时, 要使用金刚石镀层硬质合金刀具, 甚至PCD刀具;在铣削铝镁合金时, 可使用K10硬质合金刀具。刀刃圆角半径对切削温度和微粒火花的影响都很大, PCD刀具或硬质合金刀具的刀刃半径必须精密刃磨到纳米级的水平。
2高速铣削钢
近年来, 高速加工开始用于钢和铸铁的精加工, 特别是加工形状复杂的零件, 高速切削可以大大提高生产率。高速铣削钢的主要问题是刀具磨损。优化切削参数的目的不仅仅为了提高金属切除率, 而且更注重于降低切削力, 提高工件的表面质量、尺寸精度和形状精度以及减少刀具磨损。
高速铣削钢材时, 刀具采用更锋利的切削刃和较大的后角, 这样可以减少切削时刀具的磨损, 提高刀具的使用寿命。当进给速度增加时, 刀具后角要减小;进给速度对刀具前角的影响相对比较小。在高速下, 正前角并不比0o前角更多地降低切削力;负前角虽然能使刀片具有更高的切削稳定性, 但是增大了切削力和月牙洼磨损。一般来讲, 随着切削速度的的提高, 刀具寿命降低。当切削速度进一步升高, 使切屑与刀具前刀面接触区的滑移速度高到超过刀具材料的耐热能力时, 就会造成月牙洼磨损。
在高速铣削时, 轴向进给量对刀具磨损的影响比较小, 而径向进给量的影响则较大, 刀具寿命随切削面的增加而降低。在以径向进给进行切削时, 常常会因为高速产生的高温超过刀具材料的红硬性而造成刀具失效。当径向进给比较慢时, 刀具的非接触区时间比接触区时间长, 短时间的发热可以由比较长时间的冷却来弥补。因此, 从整体上看, 径向进给速度应稍慢一点, 建议进给量之值等于刀具直径的5%～10%。
高速切削时刀具的磨损也受到加工材料强度等力学性能的影响。工件材料的抗拉强度增大, 则刀具寿命降低, 所以要减小每齿的进给量。
在高速切削刀具材料方面, 金属陶瓷刀具的寿命比硬质合金长, 但也只适用于小切深和小进给量的切削。使用CBN刀具加工淬硬材料时效果好, 使用CBN刀具加工非淬硬材料不经济, 对提高刀具寿命的优势并不大, 金属陶瓷刀具也是如此。
镀层硬质合金刀具的磨损特性和所使用的刀具基体材料有很大关系。TiN基体的PVD镀层刀具具有最好的耐磨性能, 其刀具寿命比没有镀层刀具的可提高50%～250%。
3高速铣削铸铁
在高速铣削铸铁时, 刀具后角的情况和钢件差不多。对于象氮化硅刀具这样的脆性刀具材料, 影响刀具磨损的主要因素是刀片的形状和几何参数。在高速铣削铸铁时, 必须使用圆刃刀具, 否则刀具很快就会因为高脆性而损坏。
切削速度的选择取决于刀具材料。对于硬质合金和金属陶瓷刀具, 高速切削中的最主要问题是刀具磨损。金属陶瓷刀具由于具有刀片强度高、密度低和化学稳定性好等优点, 它的耐用度要比硬质合金好, 但是当切削速度超过1 000 m/min时, 不使用这种刀具。
对于硬质合金和金属陶瓷刀具, 刀具耐用度随着进给速度的增加而提高。而氮化硅刀具和CBN刀具只是适合于在比较低的进给速度下进行切削。
径向切深是影响刀具耐用度的关键因素之一, 随着切削区面积的增大, 刀具寿命降低。而轴向切深的影响不大, 当切深在1.5 mm～15 mm范围内变动时, 刀具的磨损量几乎是一样的。
被加工零件材料也影响刀具的耐用度。被切材料的铁含量, 对于CBN刀具的耐用度影响很大, 当切削GG40铸铁材料时, CBN刀具的耐用度达到了最低值。
使用镀层时, 刀具寿命可提高10倍～20倍。使用CBN刀具时, 切削速度可高达4 000 m/min。实际上, 只有CBN和氮化硅刀具才能在这么高的速度下进行切削, 特别是CBN刀具, 可得到很长的刀具寿命, 但必须使用较小的进给量。
4高速切削难加工材料
难加工材料包括特殊合金钢、钛合金、镍合金等, 这些材料由于强度大、硬度高、耐冲击, 大多用于航空制造和动力部门。但加工中这些材料容易硬化, 切削温度高, 刀具磨损严重。
在这些难加工材料的切削中, 导致刀片失效的典型形式是刀具磨损, 磨损的痕迹会产生在刀尖部位及刀具和工件之间的通道处, 因而形成严重的刀口毛刺。刀刃的磨损改变了刀具的几何参数, 增大了切削力, 尤其在切削高强度合金时容易使刀片碎裂。
刀片裂纹主要是由热应力造成的, 特别是在切削特殊合金时, 梳状裂纹很明显, 然后裂纹继续擦伤扩大, 形成磨痕。难加工材料的另一个特点是它们的粘附性, 使切屑粘在刀刃上, 随着切削速度提高, 粘附的切屑增多, 烧热的切屑堆积在刀具切入工件的切入点处, 形成积屑瘤。
在切削钛合金时, 热量增加产生与氧的放热反应。当磨损带宽度达到0.3 mm以上时, 引起切屑燃烧。在磨损严重加剧的情况下, 强烈的发热能超过材料的熔化温度。虽然高速加工中工件的温度没有明显上升, 但是切屑的温度大大升高了。
在对钛合金、特殊合金和耐热镍基合金等3种材料进行高速加工的实验中, 顺铣时的刀具磨损明显要大, 其原因是顺铣的刀具在离开工件时切屑加厚, 产生较大的拉应力, 因而增大了刀片破碎的可能性。这些材料的高强度和高弹性, 特别是应变硬化, 增大了切削载荷。
刀具前角的变化范围是在8o～28o之间, 在此前角范围内, 加大前角可明显地减小切削力, 加工上述所有材料时的刀具寿命都能提高。当前角为负时, 刀具的切削稳定性提高, 但寿命降低, 这是因为在刀刃处切削负荷增加。
提高切削速度后, 切削消耗的功率更大, 切削温度升高, 加速了刀具磨损。但高切削速度也缩短了刀具和工件的接触时间, 传递到工件上的切削热减少了, 切削热主要由飞快的切屑带走。
在高速切削中, 刀具磨损量随径向切入量 (或切深) 呈指数曲线的规律上升, 磨损加剧, 发热量增大。切深增加使切屑的厚度和长度增加, 必然减少刀片的空切时间, 导致在刀片上的发热量更大。
5结束语
提高生产率一直是机械制造领域十分关注并为之不懈奋斗的主要目标。高速加工 (HSM) 不但成倍提高了机床的生产效率, 而且进一步改善了零件的加工精度和表面质量, 还能解决常规加工中某些特殊材料难以解决的加工问题。因此, 超高速加工这一先进加工技术也已引起了世界各国工业界和学术界的高度重视。
参考文献
[1]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.
高速干切削过程监测及分析 篇6
绿色切削也称为干切削, 目前已成为机械加工领域的一个重要发展方向。工业发达国家从20世纪90年代中期起, 就把研究和开发的重点由高速切削转向了干加工, 通常干加工都采用高速干切削。目前, 国内外在干切削领域的研究主要集中在干加工刀具的材料、涂层、几何参数、夹头, 以及机床等方面。美国的Oklahoma州立大学采用纳米复合涂层刀具进行了切削研究[1], 日本Hiroshima大学采用新式组配涂层刀具进行了干切削研究[2], LeBlong Makino公司采用了红月牙 (red crescent) 干式切削技术, 利用材料的热软化来提高材料的去除率[3]。
在高速干切削中, 采用很高的主轴转速、刀具进给速度且不使用切削液, 这使得加工过程变得更加复杂和充满变数, 刀具的磨损、崩刃、温度过高等危险性显著增大。而目前, 在干切削领域中, 对其加工过程的状态监测与分析重视不够。
本文建立一套基于虚拟仪器的信号采集系统, 用振动传感器、声发射传感器和温度传感器采集铝合金高速干铣削加工试验过程中的信号, 用小波变换和小波包变换等方法进行信号处理, 提取能够反映加工过程特征的规律。
1 基于虚拟仪器的过程监测软硬件系统
信号采集系统利用通用计算机接口板卡、红外测温仪、声发射传感器以及加速度计采集数据;在LabVIEW平台上设计前面板、框图程序、图标/接线端口, 实现虚拟测量仪器;利用LabVIEW完成测量数据的采集与存储。系统整体框图如图1所示。
信号采集卡采用研华高速PCI—1714UL卡, 它有4个通道, 可以同时采集信号, 每个通道采样率可达10MHz, 根据所查文献, 国外在将声发射传感器用于加工过程监测时, 采样频率都在2MHz左右[4,5]。因为该卡不能单独设置各个通道的采样率, 所以声发射传感器、振动传感器和红外温度传感器的采样频率都设置为2MHz。如此高的采样频率, 以及相应而来的巨大数据量, 对计算机性能和采样程序提出了较高要求。传感器为optris CT 红外测温仪、联能电子内置ICP加速度传感器CA-YD-1182、SR150A型声发射传感器, 各传感器都配相应的信号调理模块。
2 试验装置及加工参数设置
整个试验在瑞士米克朗 (Mikron Ucp600) 五坐标精密高速数控立式加工中心上进行。声发射传感器和加速度传感器依靠其自带的磁铁, 吸附在工件表面 (避开加工刀具) 。红外传感器放置在一个自制的托架上, 其光斑点对准刀尖, 整个加工过程不抬刀, 保证温度信号的采样不间断。
试验采取端面直线顺铣, 加工航空预拉伸铝板7050-T7451。为了对比, 分别在低速干切削、高速干切削和正常润滑切削3种情况下进行试验。表1的3种工况对应的主轴速度、进给速度和背吃刀量同时增大, 没有采用2个参数不变、变动1个参数的方式, 主要是为了使其变化趋势更明显, 同时也可以减少试验次数, 降低成本。
表2的参数设置方式基本与表1相同, 只是因为是干切削, 采用普通刀具, 所以主轴转速设置较低。
表3是在相同主轴转速和相同背吃刀量的情况下, 使进给速度不断变大, 最后的工况4就是高速切削中常采用的高速加大进给量的工况。
3 试验结果、信号处理及分析
采集的声发射信号、加速度 (振动) 信号和温度信号, 由于采样频率高且受噪声干扰, 无法直接看出规律, 故采用小波变换对温度信号进行处理以观察规律。对声发射信号和振动信号进行小波包分解后, 计算不同频段的能量百分比, 找出较明显的特征。
3.1小波变换与小波包变换
信号f (t) 的连续小波变换定义为
式中, w表示小波变换;ψ (·) 为母小波或小波基函数;a、b分别为尺度参数和位置平移参数。
小波变换的结果是, 将时域中的一维信号变换为时间—频域平面中的二维函数。将尺度参数a和位置平移参数b按二进方式离散, 可以得到函数的离散表达式。
3.2 温度信号处理结果与分析
对表1～表3所示工况采集的温度信号, 用db3小波基函数进行15层小波分解, 并对第15层分解信号进行重构, 所得结果如图2～图4所示。
图2显示, 正常的加冷却液切削的加工温度基本维持在室温。从图3可看出, 随着切削速度的增加, 低速干切削温度缓慢增加。从图4可看出, 整个高速干切削的温度比低速时的温度要显著增加, 但是随着进给量的增加, 其加工温度反而显著降低, 也就是说在高速、大进给量的情况下, 切削效果好, 这与一般高速切削理论相符[6]。
3.3小波包变换和由小波包系数组成的特征向量
信号的小波包分解是小波变换的精彩延续, 具有分解正交性、独立性和多分辨率等特点。分解后各频带的频率范围为
式中, f (j, i) 为i层分解的第j频带的频率范围 (j=1, 2, …, 2i) ;fs为采样频率。
为了研究声发射和振动信号特征, 对它们用db1小波包和Shannon熵标准进行5层小波包分解并重构。得到由低到高均匀分布的25 (32) 个频段的小波包系数序列。然后按照下式求出各个频段的能量:
j=0, 1, …, 31;k=1, 2, …, n
式中, T为整个加工过程的时间;xj, k为重构信号S5, j离散点的幅值。
然后按照下式构造特征向量:
T′= (E5, 0, E5, 1, …, E5, 31) (4)
当数据点较多时, 能量的数值很大, 为了便于数据处理, 对向量进行归一化处理:
T= (E5, 1/E, E5, 2/E, …, E5, 31/E) (5)
向量T即为归一化后的特征向量。它表示各个频段能量占总能量的比例。
加工方式为端面直线铣削, 加工的后期更能反映加工过程特点, 所以用声发射信号和振动采样信号的最后100 000个采样点数据按式 (3) ～式 (6) 构造特征向量。
3.4 声发射信号和振动信号处理结果与分析
对声发射采样信号和振动采样信号, 用上述方法处理后, 得到如图5、图6所示的结果。从图5看出, 振动和声发射的能量, 无论是低速干切削、高速干切削还是正常润滑切削, 主要都集中在低频段 (第1频段, 即0～62.5kHz) , 而在其他频段, 能量分布都比较分散, 比较小。为了看得清楚, 将第1频段的能量单独画出, 如图6所示, 可看出振动信号和声发射信号在正常润滑时, 低频分量的能量百分比都比较高, 约55%～60%, 在低速干切削中, 随着切削用量的增加, 振动和声发射的低频分量的能量百分比急剧减小, 而高速干切削中, 随着进给量的增加, 振动的低频分量的能量百分比, 基本稳定在35%～40%。低频分量一般代表着加工中的稳定因素, 这说明高速干切削中, 随着进给量增加, 即在高速、大进给情况下, 加工过程反而趋于稳定。
工况1～3:低速干切削工况4～7:高速干切削工况8～10:正常润滑切削
4 结论
(1) 高速干铣削铝合金时的温度比低速时的温度要显著增高, 但是随着进给量的增加, 其加工温度反而显著降低, 也就是在高速、大进给情况下, 加工性能变好。
(2) 对声发射信号和振动信号进行小波包分解后, 用各频段小波包系数的能量百分比构造一个特征向量, 发现高速干切削的低频部分的能量百分比都较高, 也就意味着加工比较稳定。
参考文献
[1]Kustas F M, Fehrehnbacher L L, Komanduri R.Nanocoatings on Cutting Tools for Dry Machining[J].Annals of the CIRP, 1997, 46 (1) :39-42.
[2]Narutaki N, Yamane Y, Tashima S.A New Ad-vanced Ceramics for Dry Machining[J].Annals ofthe CIRP, 1997, 46 (1) :43-45.
[3]刘志峰, 张崇高, 任家隆.干切削加工技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[4]Kang Myeong Chang, Kim Jeong Suk, Kim JeonHa.Monitoring Technique Using a Multi-sensorin High Speed Machining[J].Journal of MaterialsProcessing Technology, 2001, 113:331-336.
[5]Haber R E, Jimenez J E, Peres C R, et al.An Inves-tigation of Tool-wear Monitoring in a High-speed Machining Process[J].Sensors and Actua-tors, 2004, 116 (3) :539-545.
高速切削加工技术的应用分析 篇7
1 高速切削将成为切削加工的新工艺
以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力, 这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此, 发展高速切削等新型切削工艺, 促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高, 而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上 (包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步) , 达到切削速度和进给速度的成倍提高, 并带动传统切削工艺的变革和创新, 使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域, 即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件, 它与传统的磨削加工相比, 具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点, 已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业, 用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC) 内孔, 代替磨削, 已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具, 采取小的走刀步距, 中间不接刀, 完成型面的精加工, 大大减少了抛光的工作量, 显著缩短了模具的开发周期, 已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用C B N旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。
高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害, 成为当前治理的重点, 但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本, 导致干切削新技术的开发, 并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉, 降低切削效率, 而是进行传统切削工艺的重大变革, 为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺, 这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗, 开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。
2 加快关键技术的开发应用
2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术
刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用, 自从问世以来发展非常迅速, 尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层 (CVD) 仍然是可转位刀片的主要涂层工艺, 开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺, 在基体材料改善的基础上, 使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展, 提高了涂层表面光洁度, 进入了实用的阶段。目前, 国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达7 0%以上。在此期间, 物理涂层 (PVD) 的进展尤为引人注目, 在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展, 不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN, 及综合性能更好的T i A l C N通用涂层和D L C、W/C减摩涂层, 而且通过对涂层结构的创新, 开发了纳米、多层结构, 大幅度提高了涂层硬度和韧性。
PVD涂层技术的新进展, 向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层, 以满足加工多样性的需要, 是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术, 有着十分广阔的应用前景。
2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇一律的面貌和单一的功能
随着制造业的高速发展, 汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加
工不断提出更高的要求, 推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具, 突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法, 而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素, 发挥新的作用。
为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要, 开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。
模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短, 成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展, 模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。
与此同时, 也出现了各种可转位刀片的新结构, 如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等。
2.3 快速发展的配套技术
切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的, 是现代切削技术不可缺少的组成部分, 并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展, 包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。
双面接触的空心短锥刀柄 (H S K) 机床-刀具接口, 由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触, 具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点, 随着高速切削技术的推广, 得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准, 并且也已被众多的机床工具厂商所接受, 纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带H S K刀柄的工具系统或整体刀具, 显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时, 一些公司还开发了与H S K类似的刀柄结构, 如Sandvik公司的Capto刀柄, Kennametal公司的KM刀柄。近年来, 还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口, 以适应现有机床用于高速切削加工的需要。
在高速切削时, 刀具的转速在10000～20000r/min以上甚至更高, 此时, 刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用, 当转速达到某一临界值时, 足以使刀片甩出, 或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故, 因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此, 德国制定了高速旋转刀具的安全规范, 对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定, 这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。
3 机床技术
3.1 驱动和传动技术
高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5—1 0μm, 运动的均匀性误差小于1μm, 进给速度Vfj≥40—50m/min, (j=x、y、z) , 加速能力αj≥5—10m/s2, 其他性能指标还有动态轨迹精度, 机械传动件的动力学特性和热特性。
直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成, 也是零传动。它的Vfj≥120 m/min, αj≥25m/s2, 动态轨迹精度也高得多。
目前, 高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动, 即所谓“零传动”, 并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min, 最大功率p=23KW, 最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示, 通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。
3.2 控制和数控技术
高速切削机床部件运动速度高, 在单位时间内C N C系统需要处理计算的数据大大增加, 要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存 (或更高) 、1—10G硬盘等, 并应用数字化驱动调节和数字化总线技术, 高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能, 速度预控制功能, 数字化自动平滑运动轨迹功能, 加速和制动时的急动速度监控功能, 使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外, CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能, 并安装有高效的CNC专用模拟软件。
4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施
我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言, 由于缺乏全面认识了解和经验, 或者因为资金有限, 引进的高技术装备不配套, 主要是没有适用的高速刀具和设备, 其次缺少C A D/C A M软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考, 进口设备多数没有发挥潜力, 经济效益不佳。
当前我国有科研机构和单位应该对与高速切削相关的技术进行研究, 对高速切削的机理进行科学的分析和实验, 夯实理论基础, 做好基础理论的预研工作。国外工具公司面对我国制造业快速发展的大好形势和广阔前景, 加快了在中国实现本地化生产或服务的步伐, 以降低制造成本、提高服务能力、缩短交货周期, 应该说, 外国刀具公司进军中国市场为我们应用先进刀具改造传统制造业提供了十分有利的条件。我们要抓住这个有利时机, 积极采用先进刀具, 为提高企业的加工技术和竞争实力服务, 迎接经济全球化的挑战。先进的切削技术和刀具是我国发展汽车工业、航空航天工业、能源工业和配套的模具工业必备的前提条件。在这样的大好机遇面前, 我们要充分利用先进的切削技术和刀具, 为发展我国的制造业服务。
摘要：高速切削技术是未来切削加工的方向, 也是时代发展的产物, 它仰仗于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件等基础技术的出现。然而, 它自身亦存在着有待攻克的一系列特殊的关键技术, 归纳起来有以下几方面。