槍鉆低頻軸向振動(dòng)鉆孔的有限元分析
2018-5-15 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：房嘉賡，苗鴻賓，沈興全
摘要: 為了使槍鉆在加工過(guò)程中減小鉆削力，運(yùn)用有限元分析軟件 Deform-3D 動(dòng)態(tài)模擬出槍鉆鉆頭低頻軸向振動(dòng)鉆削過(guò)程。根據(jù)槍鉆鉆頭軸向振動(dòng)鉆削的斷屑經(jīng)驗(yàn)公式確定切削參數(shù); 建立了加工過(guò)程的有限元模型，并動(dòng)態(tài)模擬了軸向振動(dòng)鉆削加工過(guò)程和普通加工過(guò)程，結(jié)合這兩種加工過(guò)程中刀具所受的軸向力和扭矩變化情況進(jìn)行了分析; 最后將兩種加工情況進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明: 振動(dòng)鉆削能夠顯著地降低鉆削中產(chǎn)生的軸向力和扭矩，減小鉆頭的磨損，延長(zhǎng)鉆頭的壽命。
關(guān)鍵詞: 振動(dòng)鉆削; 有限元; 軸向力; 扭矩
0 、前言
鉆削力是金屬鉆削加工過(guò)程中一個(gè)重要的物理現(xiàn)象，它的大小直接影響著鉆頭的壽命和磨損情況，同時(shí)也與鉆削熱產(chǎn)生的多少密切相關(guān)。而深孔鉆削加工是金屬鉆削領(lǐng)域里最重要也是應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，由于深孔鉆削是在一個(gè)封閉的環(huán)境內(nèi)完成的，加工條件受被加工孔徑、孔深的限制，加工時(shí)所用的刀具剛度小，加工過(guò)程中產(chǎn)生的鉆削力又很大，尤其是鉆削力中的軸向力和扭矩會(huì)嚴(yán)重磨損刀具，降低刀具的使用壽命。在保證加工質(zhì)量的前提下，盡量減小鉆削軸向力與扭矩是專家和學(xué)者最為關(guān)注的焦點(diǎn)，王慧東對(duì)高錳鋼鉆削加工進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究;張秋麗利用 Matlab 分析了槍鉆鉆削力的數(shù)學(xué)模型，分析了鉆削參數(shù)對(duì)鉆削力的關(guān)系曲線; 閆鵬飛應(yīng)用有限元軟件建立了普通麻花鉆的加工仿真模型，研究了切削用量對(duì)軸向力與扭矩的影響; 上述的研究成果只分析了切削參數(shù)對(duì)軸向力和扭矩的影響，除了考慮切削加工參數(shù)的影響因素外，在切削方法上的探索也很重要，目前國(guó)內(nèi)外都在重點(diǎn)研究一種更合理、更新穎的孔加工方法，就是振動(dòng)鉆削。振動(dòng)鉆削是日本學(xué)者隈部淳一郎首先提出的，隨后美國(guó)學(xué)者 W HAN-SEN 又對(duì)低頻振動(dòng)鉆削進(jìn)行了研究，提出了低頻振動(dòng)鉆削的概念和方法。迄今為止，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的限制，振動(dòng)鉆削的實(shí)驗(yàn)不可能任意改變參數(shù)值，所以運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析是必不可少的，國(guó)內(nèi)學(xué)者李德軍，王磊，馬利杰等基于有限元法對(duì)振動(dòng)鉆削的分析都是針對(duì)麻花鉆鉆頭，有關(guān)深孔刀具的槍鉆鉆頭振動(dòng)鉆削的有限元分析尚待進(jìn)一步深入。因此，本文作者建立了槍鉆鉆頭的三維模型，通過(guò)有限元分析軟件 Deform-3D，采用振動(dòng)鉆削中工藝效果明顯、易于實(shí)現(xiàn)的軸向振動(dòng)，以 45 號(hào)鋼材料為加工對(duì)象，對(duì)槍鉆鉆頭軸向振動(dòng)鉆削過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真并且分析加工中產(chǎn)生的鉆削軸向力及扭矩，再與相同鉆削參數(shù)情況下的普通鉆削形成對(duì)比，揭示出振動(dòng)鉆削在深孔加工中的優(yōu)勢(shì)。
1、 軸向振動(dòng)鉆削特性分析
振動(dòng)鉆削是振動(dòng)切削技術(shù)的一個(gè)分支，是建立在振動(dòng)理論和切削理論基礎(chǔ)上的一種新穎的特殊加工方法，與普通鉆削的最根本區(qū)別是在鉆削的過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)裝置，使鉆頭和工件之間產(chǎn)生周期性的接觸和分離，從而改變鉆削規(guī)律。按頻率上分為低頻振動(dòng)鉆削、中頻振動(dòng)鉆削和高頻振動(dòng)鉆削，按振動(dòng)方式分為軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和復(fù)合振動(dòng)鉆削。
1. 1 建立槍鉆鉆頭軸向振動(dòng)鉆削的運(yùn)動(dòng)方程
文中采用的振動(dòng)頻率為 40 Hz，屬于低頻振動(dòng)鉆削，振動(dòng)方式為軸向方向的振動(dòng)。圖 1 所示為鉆頭作軸向振動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情形，鉆削深孔時(shí)，在鉆桿后端附加一軸向振動(dòng)裝置，此時(shí)常用機(jī)械式激振方式實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)，可以方便地使鉆頭實(shí)現(xiàn)軸向振動(dòng)。
圖1 軸向振動(dòng)鉆削示意圖
根據(jù)圖 1 和軸向振動(dòng)鉆削機(jī)制建立軸向振動(dòng)鉆削數(shù)學(xué)模型，則振動(dòng)鉆削時(shí)刀刃上任一點(diǎn)在軸線方向的位移表達(dá)式 ( 設(shè)鉆頭向下進(jìn)給方向?yàn)檎? 為
將式(1)對(duì)t進(jìn)行求一階導(dǎo)數(shù)，得到刀刃上任一點(diǎn)在軸線方向上的速度，即進(jìn)給速度表達(dá)式為:
上述兩式的第二項(xiàng)即是軸向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，由軸向振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
1. 2 振動(dòng)參數(shù)與鉆削參數(shù)的確定
為了形成有利于排屑的短切屑，實(shí)現(xiàn)鉆削過(guò)程中的可靠斷屑，根據(jù)槍鉆的低頻振動(dòng)斷屑機(jī)制，振動(dòng)參數(shù)和鉆削參數(shù)應(yīng)滿足下式:
2 、建立槍鉆鉆頭振動(dòng)鉆削的有限元模型
2. 1 槍鉆鉆頭及被加工工件三維模型的建立
因?yàn)?Deform-3D 軟件的建模功能很簡(jiǎn)單，不具備復(fù)雜幾何建模功能，所以槍鉆鉆頭的模型需要通過(guò)CAD 軟件 PRO / E 進(jìn)行幾何建模，表1列出了工件和槍鉆鉆頭的主要參數(shù)，利用這些參數(shù)進(jìn)行刀具和工件的三維建模，將建立好的鉆頭模型文件類型保存為(. STL 格式，然后導(dǎo)入到 Deform-3D 軟件中。
表 1 工件和刀具的特性
2. 2 前處理及邊界條件的設(shè)置
首先在 Simulation 中設(shè)置時(shí)間步數(shù)為 1 000，每10 步一保存， 選擇 With Time Increment 設(shè) 定值為0. 001 s。Mesh Windows 網(wǎng)格劃分中設(shè)置工件網(wǎng)格單元數(shù)為 30 000，然后在鉆削部分再進(jìn)行單元局部細(xì)化，在 Boundary Conditions 里 設(shè)置邊界條件，選擇Velocity 將工件的 x、y、z 軸方向速度固定，鉆頭的振動(dòng)進(jìn)給速度導(dǎo)入到 Movement 中的 Speed value，形成的進(jìn)給速度曲線如圖2所示，呈余弦曲線狀，并在Rotation 定義角速度為 33. 3 r / s。最后在 Inter-Object物體關(guān)系設(shè)定中定義摩擦類型和摩擦因子。所有設(shè)置完成后點(diǎn)擊Check，檢查沒(méi)有設(shè)置錯(cuò)誤或者遺漏，點(diǎn)擊Generate 生成 DB 文件，進(jìn)行保存，最終模型如圖3 所示。對(duì)于普通鉆削過(guò)程的模擬設(shè)置，只將鉆頭 Speed value 中的振動(dòng)進(jìn)給速度去掉，改為恒定不變的進(jìn)給速度 0. 667 mm/s，其他設(shè)置與前面振動(dòng)鉆削的過(guò)程保持一致。退出前處理過(guò)程，點(diǎn)擊 Run 進(jìn)行鉆削模擬計(jì)算。
圖 2 槍鉆軸向振動(dòng)進(jìn)給速度曲線
圖 3 前處理后的槍鉆鉆削有限元模型
3 、模擬仿真的結(jié)果分析
模擬時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，待模擬完畢后，點(diǎn)擊 Post Pro-cessor 中的 Deform-3D Post，即可打開(kāi)后處理界面，任意時(shí)間步的鉆削情況都可以很直觀地看到，圖4就是第 800 步的鉆削情況。
圖 4 槍鉆軸向振動(dòng)鉆削第 800 步
3. 1 扭矩分析
后處理中選擇 Graph 選項(xiàng)，即可得到諸如應(yīng)力、鉆頭所受的 X，Y，Z 方向的軸向力以及扭矩等數(shù)據(jù)的變化曲線，圖5和圖6分別是槍鉆鉆頭在軸向振動(dòng)鉆削和普通鉆削加工中扭矩隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出隨著鉆削深度的增加，兩種情況下扭矩值呈上升趨勢(shì)，但通過(guò)觀察，當(dāng)槍鉆鉆削時(shí)間前 0. 9 s時(shí)，普通鉆削情況的最大扭矩值達(dá)到了14 000N·mm左右， 而振動(dòng)鉆削最大扭矩值是 10 000N·mm左右，相同時(shí)間內(nèi)，普通鉆削扭矩上升幅度要更大，明顯的比較出，在其他加工條件相同的情況下，軸向振動(dòng)鉆削要比普通鉆削時(shí)鉆頭所受的扭矩要小。
圖 5 軸向振動(dòng)鉆削實(shí)時(shí)扭矩圖
圖 6 普通鉆削實(shí)時(shí)扭矩圖
3. 2 軸向力分析
圖7和圖8分別是兩種情況下的實(shí)時(shí)軸向力圖，兩幅曲線圖顯示，當(dāng)鉆頭與加工工件接觸后，軸向力都隨之增大，但在槍鉆鉆削前0. 9 s 時(shí)間內(nèi)，普通鉆削產(chǎn)生的軸向力最大達(dá)到400 N，平均軸向力在180 ～ 200 N 之間，文中取 190 N，而振動(dòng)鉆削情況下最大軸向力是 250 N，平均軸向力在 90 ～ 110 N 之間，文中取 100 N。振動(dòng)鉆削最大軸向力下降了 37. 5% ，平均軸向力下降了約 47. 4% ，經(jīng)過(guò)觀察和計(jì)算發(fā)現(xiàn)振動(dòng)鉆削情況下的軸向力會(huì)大幅度減小。
圖7 軸向振動(dòng)鉆削實(shí)時(shí)軸向力圖
圖8 普通鉆削實(shí)時(shí)軸向力圖
4 、結(jié)束語(yǔ)
基于有限元的離散思想，運(yùn)用有限元?jiǎng)討B(tài)模擬軟件 Deform-3D，將振動(dòng)切削理論與深孔加工刀具槍鉆相結(jié)合，建立了槍鉆振動(dòng)鉆削過(guò)程和普通鉆削過(guò)程的有限元模型，通過(guò)對(duì)槍鉆在兩種不同加工情況下的鉆削模擬仿真，獲得了兩種情況下產(chǎn)生的軸向力與扭矩，對(duì)比得出結(jié)論，在深孔加工中，槍鉆的低頻軸向振動(dòng)鉆削可以有效地降低鉆削過(guò)程中所產(chǎn)生的鉆削扭矩及軸向力，能夠更好地減小鉆頭的磨損，減緩刀具的變形，延長(zhǎng)槍鉆的使用壽命，所以振動(dòng)鉆削是鉆削深孔加工的一種重要且有效的加工方法，并且運(yùn)用有限元分析的結(jié)果，可以為以后研究槍鉆軸向振動(dòng)鉆削力的經(jīng)驗(yàn)公式得到理論基礎(chǔ)。
來(lái)源：中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院． 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心
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