基于AdvantEdge的高速銑削合金鑄鐵渦旋盤的機(jī)理分析*

孫永吉 劉 濤

(①蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；②蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

基于AdvantEdge的高速銑削合金鑄鐵渦旋盤的機(jī)理分析*

孫永吉①②劉 濤①

(①蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；②蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

為了解決高速加工渦旋壓縮機(jī)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(zhì)Cr15Mo合金鑄鐵為研究對(duì)象，研究了接近實(shí)際情況的材料本構(gòu)模型、屑-件分離準(zhǔn)則和刀—屑摩擦模型等關(guān)鍵技術(shù)，建立了銑削模型。基于AdvantEdge軟件成功模擬了切屑形成過程和不同銑削參數(shù)條件下切削力、切削溫度的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銑削力、溫度的預(yù)測(cè)，據(jù)此選擇較理想的銑削參數(shù)，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(zhì)量。

渦旋盤；高速銑削；Cr15Mo合金鑄鐵；銑削模型；銑削機(jī)理；銑削參數(shù)

近年來，變截面渦旋壓縮機(jī)[1]由于采用很少的圈數(shù)就實(shí)現(xiàn)了高壓比，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、噪音小、運(yùn)行平穩(wěn)等顯著特點(diǎn)，從而滿足了現(xiàn)代工業(yè)節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)的需要，目前已在制冷、空調(diào)、各種氣體壓縮、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、增壓泵、真空泵等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-3]。

渦旋壓縮機(jī)技術(shù)最初是由法國(guó)工程師Cruex提出，于1905年獲得專利[4]。其后，由于沒有數(shù)控加工技術(shù)，因而長(zhǎng)期未能完成實(shí)用化。20世紀(jì)70年代，能源危機(jī)和數(shù)控加工技術(shù)的出現(xiàn)給渦旋機(jī)械的發(fā)展帶來了機(jī)遇[5]。80年代，日本和美國(guó)開始批量生產(chǎn)渦旋壓縮機(jī)，到目前仍占據(jù)主要市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)直到90年代末，西安交通大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等科研院所開展研究，由于研究主要集中在壓縮機(jī)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(yōu)化等方面[6]，而對(duì)加工機(jī)理和變形控制方面研究較少。

本文針對(duì)變截面Cr15Mo合金鑄鐵渦盤的渦旋齒型線復(fù)雜、渦旋齒槽窄、齒高厚比值大、易變形等加工難點(diǎn)，依據(jù)三維數(shù)值模擬方法，借助Advantdge軟件建立接近實(shí)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(duì)切削力、切削溫度的變化規(guī)律進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)實(shí)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(jù)，從而提高加工效率和加工質(zhì)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(chǔ)上建立起來的，它由多條解析曲線連接構(gòu)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(jī)在壓縮比不變的情況下，渦卷圈數(shù)減少、渦旋盤尺寸減小、泄漏量減少、整機(jī)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(xù)圓漸開線組合而成，采用法向等距線法生成渦旋齒內(nèi)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(jī)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(diǎn)和關(guān)鍵在于動(dòng)、靜渦旋盤的渦旋齒，主要精度[7]要求見表1所示。首先，兩個(gè)渦旋齒在同一時(shí)間在徑向多點(diǎn)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(nèi)表面，它比外表面難加工，會(huì)產(chǎn)生很大的加工誤差。

2 銑削渦旋盤過程模擬的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 材料本構(gòu)模型

高速銑削加工中，切削層金屬處于高應(yīng)變、高溫和高應(yīng)變率的變形狀態(tài)，是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性過程，所以工件的材料模型必須能夠準(zhǔn)確地反映高速銑削下工件材料物理特性的真實(shí)變化。因此，需要綜合考慮應(yīng)力、應(yīng)變和切削溫度等因素對(duì)金屬材料流動(dòng)應(yīng)力造成的影響來建立材料本構(gòu)模型，保證仿真結(jié)果的真實(shí)可靠。

表1 渦旋齒的加工精度要求

序號(hào)項(xiàng) 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(yīng)、應(yīng)變率強(qiáng)化和加工硬化效應(yīng)，是目前應(yīng)用最廣泛的模型。通過高速壓縮試驗(yàn)獲取工件材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用J-C模型來描述材料的本構(gòu)關(guān)系。J-C模型的公式如下：

本文采用文獻(xiàn)[9]經(jīng)霍普金森壓桿來試驗(yàn)獲得Crl5Mo的J-C參數(shù)如表2所示。

表2 工件材料的J-C參數(shù)

材料A/MPaB/MPaCnmCrl5Mo5225440.30.0121.18

工件材料和硬質(zhì)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(dǎo)率cp/(W/(mK))比熱c/(J/(kgK))楊氏模量E/GPa泊松比μ熱膨脹系數(shù)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(gè)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(chǎn)生分離；分離之后，有的切屑可以產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，而有的切屑則產(chǎn)生鋸齒狀的斷裂。因此，必須有一定的分離準(zhǔn)則使得切屑從工件上分離出來。

本文采用的切削分離準(zhǔn)則[10]是物理分離準(zhǔn)則：J-C剪切失效法則。該失效模型建立的基礎(chǔ)是單元積分點(diǎn)上的等效塑性應(yīng)變值。當(dāng)材料失效參數(shù)ω超過1時(shí), 則假定為失效。如果在所有積分點(diǎn)材料都發(fā)生失效, 則該單元就將從網(wǎng)格中被刪除, 實(shí)現(xiàn)切屑分離。

失效參數(shù)的表達(dá)式為：

當(dāng)ω=1時(shí)，材料將發(fā)生失效，失效時(shí)的等效塑性應(yīng)變可用Johnson一Cook動(dòng)態(tài)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(gè)明顯的接觸區(qū)[11]：粘結(jié)摩檫區(qū)和滑動(dòng)摩檫區(qū)。粘結(jié)摩檫區(qū)是從刀尖到前刀面上某一點(diǎn)的距離，此區(qū)域由于材料與刀具之間是相對(duì)靜止的，內(nèi)摩擦應(yīng)力是一常數(shù)；滑動(dòng)摩擦區(qū)是粘結(jié)摩擦區(qū)之后的部分，由于切屑的脫離，切削力隨之減小，所以摩擦應(yīng)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(chǎn)生的切削熱將影響到工件的加工精度和表面質(zhì)量以及刀具的磨損和耐用度。本文采用修正的庫(kù)倫摩擦模型，其方程為：

τ=μp，當(dāng)μp<τ*(滑動(dòng)摩擦區(qū))

τ=τ*，當(dāng)μp≥τ*(粘結(jié)摩擦區(qū))

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

2.4 建立切削模型

為了縮短計(jì)算機(jī)的仿真運(yùn)算時(shí)間，在不影響仿真結(jié)果的前提下，本文對(duì)工件和刀具的三維銑削模型轉(zhuǎn)化為二維銑削模型，如圖2所示。利用網(wǎng)格局部加密劃分的方法，對(duì)切削變形區(qū)與刀尖部位進(jìn)行網(wǎng)格加密劃分，其余部分則進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇缶W(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元形狀為四面體。刀齒部分單元尺寸為0.2 mm，遠(yuǎn)離刀刃部分網(wǎng)格大小為0.2～2 mm，如圖3所示。

3 銑削模擬結(jié)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(gè)刀刃從接觸工件到切離工件時(shí)，切屑的6個(gè)不同時(shí)刻成形模擬如圖4所示。從圖中可以看出，隨著刀具的前進(jìn)，刀尖處的材料隨著應(yīng)力的增大，開始發(fā)生塑性屈服，當(dāng)屈服應(yīng)力達(dá)到了切屑分離準(zhǔn)則時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(shí)際加工中的相符。

3.2 溫度場(chǎng)的分析

采用上述模型，給定切深ap=0.5 mm，切寬ae=1.0 mm，進(jìn)給量fz=0.25 mm/r，通過改變刀具轉(zhuǎn)速進(jìn)行切削仿真，獲取工件、切屑、刀具及接觸區(qū)的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況如圖5所示。圖示表示刀具轉(zhuǎn)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?yàn)樵谇邢鬟^程中，金屬材料經(jīng)過第一變形區(qū)后沿刀具前刀面流出會(huì)受到前刀面的擠壓和摩擦，會(huì)產(chǎn)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(qū)；切屑溫度高于刀具和工件溫度，由于提高切削速度，會(huì)加快切屑流速，切削產(chǎn)生的熱量大部分來不及傳遞，就被切屑帶走，導(dǎo)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(wěn)定。

通過改變刀具轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)立銑刀以不同切削速度對(duì)工件進(jìn)行切削仿真，得到轉(zhuǎn)速對(duì)第二變形區(qū)的最高溫度的影響規(guī)律如圖6a所示。通過改變進(jìn)給量、吃刀深度和吃刀寬度，得到進(jìn)給量、吃刀深度和吃刀寬度對(duì)第三變形區(qū)(刀具后刀面和工件已加工表面接觸區(qū))的最高溫度的影響規(guī)律如圖6b、6c、6d所示。

從圖6a可以看出，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削第一變形區(qū)的溫度影響最大，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，切削溫度反而逐漸下降。從圖6b-d可知進(jìn)給量對(duì)第三變形區(qū)最高溫度的影響次之；吃刀深度對(duì)第三變形區(qū)最高溫度的影響第三，達(dá)到一定溫度后，溫升變緩；吃刀寬度對(duì)第三變形區(qū)最高溫度的影響最小，溫升很慢。因此，根據(jù)溫度的曲線走勢(shì)圖，可以選擇比較理想的銑削參數(shù)，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(zhì)量。

3.3 銑削力的分析

采用簡(jiǎn)化的二維有限元模型和Advantdge軟件中銑削模塊對(duì)切削過程進(jìn)行仿真，工件材料的剛度遠(yuǎn)小于刀具材料的剛度，故模擬時(shí)刀具假定為剛體。圖7為切削時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為14 000 r/min，吃刀深度為0.5 mm，吃刀寬度為1.25 mm、進(jìn)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(zhuǎn)速、進(jìn)給量、吃刀深度和吃刀寬度進(jìn)行仿真。分析不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律時(shí)，由于軸向力Fz遠(yuǎn)小于主切削力Fx和進(jìn)給力Fy，分析時(shí)可忽略不計(jì)。取分析區(qū)域所得Fx和Fy的平均值，分別得到切削參數(shù)對(duì)平均切削力的影響規(guī)律如圖8所示。

根據(jù)模擬得到曲線走勢(shì)，與文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，可判定建立的有限元模型是正確的。從仿真結(jié)果可以得出：吃刀深度對(duì)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(duì)切削力的影響次之；進(jìn)給量對(duì)主切削力的影響第三；主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響最小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，切削力反而有所減小。因此在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中盡量減小切削力，選擇切削參數(shù)時(shí)，應(yīng)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速，適當(dāng)?shù)某缘秾挾群瓦M(jìn)給量，較小的吃刀深度，以提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，減小工件變形，提高加工質(zhì)量。

4 結(jié)語

針對(duì)變截面渦旋壓縮機(jī)核心部件渦盤的齒型線復(fù)雜、齒槽窄、齒高厚比值大、易變形等加工難點(diǎn)，通過分析有限元模擬的關(guān)鍵技術(shù)及渦盤材料熱力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，建立了“立銑刀·工件”銑削加工的有限元模型，并對(duì)切屑的形成過程進(jìn)行了模擬。分析了主軸轉(zhuǎn)速對(duì)第二變形區(qū)切削溫度，吃刀深度、吃刀寬度、進(jìn)給量對(duì)第三變形區(qū)切削溫度的影響規(guī)律，主軸轉(zhuǎn)速、吃刀深度、吃刀寬度、進(jìn)給量對(duì)切削力的影響規(guī)律。所得模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，說明該模型是合理的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)切削力、切削溫度的預(yù)測(cè)，為合理選擇切削用量提供依據(jù)，為克服加工困難、改善工件表面質(zhì)量、深入研究銑削加工工藝及刀具幾何參數(shù)等具有重要意義。

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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(guó)家自然科學(xué)基金(51265027)；甘肅省省青年科技基金計(jì)劃項(xiàng)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(shù)控加工研究，累計(jì)發(fā)表論文20余篇，獲得甘肅省技術(shù)能手，甘肅省青年教師成才獎(jiǎng)，蘭州市“金藍(lán)領(lǐng)”高技能人才。

(編輯 汪 藝)

2016-05-03)

160930