基于仿真切削參數的正交試驗設計及優化

■鶴壁汽車工程職業學院（河南 458030）趙 帥 李 震 畢雅萱

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

如圖2所示，“三明治”機構零件屬于精密多孔盤類結構件，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格，臺面上孔的加工量占整個零件加工量的一半以上。現以轉動圓盤孔的加工為例，對其工藝參數的選擇進行分析研究。

圖1 “三明治”機構

圖2 “三明治”機構零件結構

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

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。進入Deform－3D軟件中Machining模塊后，導入預先構造的刀具模型，刀具材料選擇硬質合金WC。設定工件尺寸，材料選用QT700—2。

圖3 鏜刀幾何模型

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

圖4 三維模型的網絡劃分

（3）模擬參數設置。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。本試驗設置仿真總步數為5000，步數增量設為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a為0.0000001，b為855。最后檢查仿真的各項參數設置是否正確，生成數據庫，開始運行仿真。

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，它是根據正交性原則從所有試驗點中挑選部分有代表性的點進行試驗，從中尋找出一組最佳的水平組合。

（1）試驗方案設計。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是進給量（mm/r）；C是切削深度（mm）。

通過理論參考資料和生產實踐確定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）試驗結果與分析。切削參數因素水平表設計完成之后，基于已有刀具和工件有限元模型進行表2中的切削正交試驗，試驗評價指標為切削力和轉盤形變量，并按照各組試驗順序記錄試驗結果，對結果進行整理計算。

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

表2 轉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；即對評價指標影響程度由大到小的因素分別為：切削深度、切削速度及進給量。基于主切削力FZ最小，作為優化目的，正交試驗方案的較優組合為A3B2C1，即切削速度v=120 mm/min，進給量f=0.04mm/r，切削深度ap=0.03mm。

表3 基于主切削力FZ的評價指標和極差分析

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

表4 基于轉盤形變量的評價指標和極差分析

在精密鏜孔切削時，工件受切削力影響會產生很強的塑性變形應力場和溫度場，從而導致工件發生形變。因此，以切削力和形變量作為評價指標來衡量切削參數優劣時，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，并結合實際生產經驗，正交試驗的最優組合為A3B1C1，即切削速度v=120m/min，進給量f=0.02 mm/r，切削深度ap=0.03mm。

3.試驗驗證

該轉盤零件的鏜孔工藝主要在雙坐標鏜床上完成，加工后的零件如圖5所示。經三坐標測量機檢測，轉動圓盤的關鍵孔位尺寸φ25mm、形狀精度測量結果如圖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行測量時，由于操作人員、測量機及主客觀（溫度、接觸力）等偶然因素直接影響了測量結果，因此應排除這兩個孔的誤差。

圖5 轉盤實物

圖6 轉盤φ25mm孔徑分布

圖7 轉盤φ25mm孔圓度分布

4.結語

本文基于Deform－3D建立了鏜孔過程中的三維有限元模型，根據不同切削參數模擬獲得了一系列的切削力、應變數值，并利用正交試驗得出了最優切削參數組合，最后對轉盤零件進行實際加工，結果也進一步驗證了切削參數的合理性。與傳統加工方法相比，這種方法節省了工藝試驗材料和費用，縮短了產品開發周期，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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