基于AdvantEdge的高速銑削合金鑄鐵渦旋盤的機理分析*

孫永吉 劉 濤

(①蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；②蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050)

基于AdvantEdge的高速銑削合金鑄鐵渦旋盤的機理分析*

孫永吉①②劉 濤①

(①蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；②蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050)

為了解決高速加工渦旋壓縮機核心部件渦旋盤存在的齒槽窄、齒高厚比值大、易變形等加工困難，以渦旋盤材質Cr15Mo合金鑄鐵為研究對象，研究了接近實際情況的材料本構模型、屑-件分離準則和刀—屑摩擦模型等關鍵技術，建立了銑削模型?；贏dvantEdge軟件成功模擬了切屑形成過程和不同銑削參數條件下切削力、切削溫度的變化規律，實現了對銑削力、溫度的預測，據此選擇較理想的銑削參數，有助于減小銑削力、降低工件溫升，控制銑削變形，提高工件的加工效率和質量。

渦旋盤；高速銑削；Cr15Mo合金鑄鐵；銑削模型；銑削機理；銑削參數

近年來，變截面渦旋壓縮機[1]由于采用很少的圈數就實現了高壓比，具有體積小、結構緊湊、效率高、噪音小、運行平穩等顯著特點，從而滿足了現代工業節能環保經濟的需要，目前已在制冷、空調、各種氣體壓縮、發動機增壓、增壓泵、真空泵等領域得到廣泛應用[2-3]。

渦旋壓縮機技術最初是由法國工程師Cruex提出，于1905年獲得專利[4]。其后，由于沒有數控加工技術，因而長期未能完成實用化。20世紀70年代，能源危機和數控加工技術的出現給渦旋機械的發展帶來了機遇[5]。80年代，日本和美國開始批量生產渦旋壓縮機，到目前仍占據主要市場。國內直到90年代末，西安交通大學、蘭州理工大學等科研院所開展研究，由于研究主要集中在壓縮機的幾何特性、工作原理、泄漏及密封、型線修正、通用型線、整體優化等方面[6]，而對加工機理和變形控制方面研究較少。

本文針對變截面Cr15Mo合金鑄鐵渦盤的渦旋齒型線復雜、渦旋齒槽窄、齒高厚比值大、易變形等加工難點，依據三維數值模擬方法，借助Advantdge軟件建立接近實際銑削加工Cr15Mo合金鑄鐵的有限元模型，模擬切屑形成過程，并對切削力、切削溫度的變化規律進行分析，預測實際加工中的切削力和切削溫度，為選擇較理想的切削用量提供依據，從而提高加工效率和加工質量。

1 渦旋盤型線及加工要求

1.1 渦旋盤型線

變截面渦旋齒的型線是在滿足兩曲面共軛接觸基本條件[6]的基礎上建立起來的，它由多條解析曲線連接構成，是一種組合型漸開線。這種混合型漸開線可使渦旋壓縮機在壓縮比不變的情況下，渦卷圈數減少、渦旋盤尺寸減小、泄漏量減少、整機溫度降低、工作效率有效提升。

本文的變截面渦旋齒型線采用三段連續圓漸開線組合而成，采用法向等距線法生成渦旋齒內圈型線ACEHI、外圈型線ABDFG，如圖1所示。

1.2 加工要求

渦旋壓縮機的工作特性決定了其制造和裝配精度非常高，加工制造的難點和關鍵在于動、靜渦旋盤的渦旋齒，主要精度[7]要求見表1所示。首先，兩個渦旋齒在同一時間在徑向多點嚙合，其制造和裝配間隙越大，壓縮氣體的泄漏量越大；其次，渦旋齒的工作表面是內表面，它比外表面難加工，會產生很大的加工誤差。

2 銑削渦旋盤過程模擬的關鍵技術

2.1 材料本構模型

高速銑削加工中，切削層金屬處于高應變、高溫和高應變率的變形狀態，是一個非常復雜的非線性過程，所以工件的材料模型必須能夠準確地反映高速銑削下工件材料物理特性的真實變化。因此，需要綜合考慮應力、應變和切削溫度等因素對金屬材料流動應力造成的影響來建立材料本構模型，保證仿真結果的真實可靠。

表1 渦旋齒的加工精度要求

序號項 目精度/μm1渦旋齒型線的線輪廓度102渦旋齒素線的直線度53渦旋齒壁面的垂直度14渦旋齒高度公差105渦旋齒齒頂面的平面度56渦旋齒齒槽底面的平面度57渦旋齒齒頂與背面的平行度58渦旋齒壁厚尺寸公差59渦旋齒表面粗糙度Ra0.8

由于Johnson-Cook[7]模型考慮了高速切削過程中金屬材料的高溫軟化效應、應變率強化和加工硬化效應，是目前應用最廣泛的模型。通過高速壓縮試驗獲取工件材料試驗數據，采用J-C模型來描述材料的本構關系。J-C模型的公式如下：

本文采用文獻[9]經霍普金森壓桿來試驗獲得Crl5Mo的J-C參數如表2所示。

表2 工件材料的J-C參數

材料A/MPaB/MPaCnmCrl5Mo5225440.30.0121.18

工件材料和硬質合金刀具材料屬性如表3所示。

表3 材料的屬性

材料密度ρ/(kg/m2)熱導率cp/(W/(mK))比熱c/(J/(kgK))楊氏模量E/GPa泊松比μ熱膨脹系數a(10-6/℃)Crl5Mo720039.2480E(T)0.25a(T)TiAlO3N15700120343.36520.225.2

2.2 切屑與工件分離

切削加工是一個使被加工材料不斷去除的過程。在這一過程中，切屑從工件中不斷產生分離；分離之后，有的切屑可以產生連續的塑性變形，而有的切屑則產生鋸齒狀的斷裂。因此，必須有一定的分離準則使得切屑從工件上分離出來。

本文采用的切削分離準則[10]是物理分離準則：J-C剪切失效法則。該失效模型建立的基礎是單元積分點上的等效塑性應變值。當材料失效參數ω超過1時, 則假定為失效。如果在所有積分點材料都發生失效, 則該單元就將從網格中被刪除, 實現切屑分離。

失效參數的表達式為：

當ω=1時，材料將發生失效，失效時的等效塑性應變可用Johnson一Cook動態失效模型表示：

2.3 切屑與刀具摩檫

在銑削合金鑄鐵模擬中，刀具與工件，刀具與切屑以及切屑與工件之間都存在著接觸，這種接觸是一種高度的非線性行為。切屑與前刀面之間有兩個明顯的接觸區[11]：粘結摩檫區和滑動摩檫區。粘結摩檫區是從刀尖到前刀面上某一點的距離，此區域由于材料與刀具之間是相對靜止的，內摩擦應力是一常數；滑動摩擦區是粘結摩擦區之后的部分，由于切屑的脫離，切削力隨之減小，所以摩擦應力逐漸減小。高速切削中，切削層受前刀面的擠壓和摩檫，所產生的切削熱將影響到工件的加工精度和表面質量以及刀具的磨損和耐用度。本文采用修正的庫倫摩擦模型，其方程為：

τ=μp，當μp<τ*(滑動摩擦區)

τ=τ*，當μp≥τ*(粘結摩擦區)

式中：τ為刀屑接觸點處的剪切應力；τ*為工件材料極限剪切應力；μ為摩擦系數；p為法向壓力。

2.4 建立切削模型

為了縮短計算機的仿真運算時間，在不影響仿真結果的前提下，本文對工件和刀具的三維銑削模型轉化為二維銑削模型，如圖2所示。利用網格局部加密劃分的方法，對切削變形區與刀尖部位進行網格加密劃分，其余部分則進行適當的大網格劃分，網格單元形狀為四面體。刀齒部分單元尺寸為0.2 mm，遠離刀刃部分網格大小為0.2～2 mm，如圖3所示。

3 銑削模擬結果及分析

3.1 切屑的生成過程

銑削過程為順銑，4刃立銑刀加工，觀察1個刀刃從接觸工件到切離工件時，切屑的6個不同時刻成形模擬如圖4所示。從圖中可以看出，隨著刀具的前進，刀尖處的材料隨著應力的增大，開始發生塑性屈服，當屈服應力達到了切屑分離準則時，節點分離，繼而單元開始被刪除，切屑厚度由厚到薄，逐漸生成了卷曲狀切屑，該切屑的形成過程與形狀也與實際加工中的相符。

3.2 溫度場的分析

采用上述模型，給定切深ap=0.5 mm，切寬ae=1.0 mm，進給量fz=0.25 mm/r，通過改變刀具轉速進行切削仿真，獲取工件、切屑、刀具及接觸區的穩態溫度分布情況如圖5所示。圖示表示刀具轉速為10 000 r/min和18 000 r/min情況下的溫度分布情況。

從圖5可以看出，切削熱量主要集中在鋸齒狀切屑與刀具前刀面接觸面上，因為在切削過程中，金屬材料經過第一變形區后沿刀具前刀面流出會受到前刀面的擠壓和摩擦，會產生大量的熱使切屑與刀具接觸面的溫度快速上升，形成第二變形區；切屑溫度高于刀具和工件溫度，由于提高切削速度，會加快切屑流速，切削產生的熱量大部分來不及傳遞，就被切屑帶走，導致傳入工件的熱量明顯減少，工件容熱變小，使已加工表面溫度很快趨于穩定。

通過改變刀具轉速，實現立銑刀以不同切削速度對工件進行切削仿真，得到轉速對第二變形區的最高溫度的影響規律如圖6a所示。通過改變進給量、吃刀深度和吃刀寬度，得到進給量、吃刀深度和吃刀寬度對第三變形區(刀具后刀面和工件已加工表面接觸區)的最高溫度的影響規律如圖6b、6c、6d所示。

從圖6a可以看出，主軸轉速對切削第一變形區的溫度影響最大，隨著主軸轉速的提高，切削溫度反而逐漸下降。從圖6b-d可知進給量對第三變形區最高溫度的影響次之；吃刀深度對第三變形區最高溫度的影響第三，達到一定溫度后，溫升變緩；吃刀寬度對第三變形區最高溫度的影響最小，溫升很慢。因此，根據溫度的曲線走勢圖，可以選擇比較理想的銑削參數，有利于減少工件溫升，有效控制切削熱變形，獲得良好的加工表面質量。

3.3 銑削力的分析

采用簡化的二維有限元模型和Advantdge軟件中銑削模塊對切削過程進行仿真，工件材料的剛度遠小于刀具材料的剛度，故模擬時刀具假定為剛體。圖7為切削時主軸轉速為14 000 r/min，吃刀深度為0.5 mm，吃刀寬度為1.25 mm、進給量為0.25 mm/r下的切削力仿真圖。

采取單因素法改變主軸轉速、進給量、吃刀深度和吃刀寬度進行仿真。分析不同切削參數對切削力的影響規律時，由于軸向力Fz遠小于主切削力Fx和進給力Fy，分析時可忽略不計。取分析區域所得Fx和Fy的平均值，分別得到切削參數對平均切削力的影響規律如圖8所示。

根據模擬得到曲線走勢，與文獻[12]中的實驗結果基本一致，可判定建立的有限元模型是正確的。從仿真結果可以得出：吃刀深度對切削力的影響最大，尤其是主切削力Fx，隨著深度的增大急劇增大；吃刀寬度對切削力的影響次之；進給量對主切削力的影響第三；主軸轉速對切削力的影響最小，當轉速達到一定值時，切削力反而有所減小。因此在企業實際生產中盡量減小切削力，選擇切削參數時，應采用較高的主軸轉速，適當的吃刀寬度和進給量，較小的吃刀深度，以提高生產效率，降低加工成本，減小工件變形，提高加工質量。

4 結語

針對變截面渦旋壓縮機核心部件渦盤的齒型線復雜、齒槽窄、齒高厚比值大、易變形等加工難點，通過分析有限元模擬的關鍵技術及渦盤材料熱力學性能的基礎上，建立了“立銑刀·工件”銑削加工的有限元模型，并對切屑的形成過程進行了模擬。分析了主軸轉速對第二變形區切削溫度，吃刀深度、吃刀寬度、進給量對第三變形區切削溫度的影響規律，主軸轉速、吃刀深度、吃刀寬度、進給量對切削力的影響規律。所得模擬結果和實驗結果相一致，說明該模型是合理的，可實現對切削力、切削溫度的預測，為合理選擇切削用量提供依據，為克服加工困難、改善工件表面質量、深入研究銑削加工工藝及刀具幾何參數等具有重要意義。

[1]趙遠揚，李連生，熊春杰，等．渦旋壓縮機研究概述[J]．流體機械，2002，30(9)：28-31.

[2](日)森下悅生，杉原正浩，吳豐.渦旋壓縮機的設計問題[J]．壓縮機技術，1988，16(4)：11-12.

[3]姜爾寧. 世界制冷壓縮機發展趨勢[J].制冷技術,2009,29(2)：40-45.

[4]Kazuya Kato，Yoshimi Takeuchi，Yukio Maeda，et al.High-precision and high-efficiency machining of scroll compressor components[J]. Int J Adv Manuf Technol，2005，27：260-267.

[5]Eric Winandy，Claudio Saavedra O，Jean Lebrun. Experimental analysis and simplified modeling of a hermetic scroll refrigeration compressor[J]．Applied Thermal Engineering,2002，22(2)：107-120．

[6]李連生．渦旋壓縮機[M].北京：機械工業出版社，1998.

[7]謝利昌. 渦旋壓縮機大批量生產的幾個關鍵技術問題[J]．制造技術與機床, 2000(5):32-35.

[8]Johson G R，Cook W H．A constitutive model and datafor metals subiected to large strains,high strain rates and high temperatures[C].Proceedings of the Seventh International Symposium on Ballistics．The Hague,Netherlands:[s.n],1983.

[9]阮景奎,柯映林,楊勇.高速銑削合金鑄鐵時鋸齒狀切屑形成的有限元模擬[J]．工具技術,2006,40(4):40-43.

[10]何寧．高速加工理論與應用[M].北京：科學出版社，2010.

[11]陳明，安慶龍，劉志強．高速切削技術基礎與應用[M].上海：科學技術出版社，2012.

[12]李露露. 合金鑄鐵的高速切削參數模擬及實驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2011.

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Mechanism analysis of high-speed milling alloy cast iron scroll plate based on AdvantEdge

SUN Yongji①②, LIU Tao①

(①Department of Mechanic and Electronic Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, CHN; ②Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, CHN)

It is facing many difficulties that high speed milling scroll plate with tooth narrow, large tooth thickness ratio, easy deformation in scroll compressor, Cr15Mo alloy cast iron is selected as the workpiece’s material, and several key technologies in milling model including the material constitutive equation, chip separation criteria, the friction situations between the chip and tool are researched, establish a rational milling model. The chip formation processes of Cr15Mo alloy cast iron in milling at different milling parameters are dynamically simulated based on AdvantEdge, and cutting force and cutting temperature are obtained, which can help choose suitable milling parameters to reduce the milling force, reduce the temperature rise of the workpiece, control the milling deformation and improve the machining efficiency and quality of the scroll plate.

scroll plate; high-speed milling; Cr15Mo alloy cast iron; milling model; milling mechanism; milling parameters

*國家自然科學基金(51265027)；甘肅省省青年科技基金計劃項目(145RJYA299)

TH122

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.025

孫永吉，男，1979年生，博士，副教授，主要從事數控加工研究，累計發表論文20余篇，獲得甘肅省技術能手，甘肅省青年教師成才獎，蘭州市“金藍領”高技能人才。

(編輯 汪 藝)

2016-05-03)

160930