基于有限元仿真的曲軸內銑加工參數優化

郭智昊， 解麗靜， 謝志勇， 梁國祥

(1. 北京理工大學， 北京100081)

(2. 山西柴油機工業有限責任公司， 山西 大同 037000)

曲軸的使用工況條件嚴苛，要承受復雜的沖擊載荷，且其是組成發動機動力傳遞系統的核心零件，因此對曲軸的材質、加工精度以及自身的強度和剛度要求均非常嚴格[1]。曲軸粗加工是曲軸加工工藝過程中材料去除量最大的一道工藝，通常采用數控車削、數控外銑、數控內銑、車—車拉等加工方法，其中數控內銑因其特殊的多刀盤柔性加工方式，能夠取得加工精度高、加工效率高、加工質量穩定等較好的加工效果[2-3]。但是內銑加工主要依賴實際經驗進行，面臨著缺少加工參數確定方法的問題[4]。

仿真方法被廣泛地用來對切削加工進行研究。岳彩旭等[5]建立了凸曲面銑削的三維熱力耦合仿真模型，對銑削過程的力/熱參數變化特性進行了研究。景旭文等[6]研究了不同切削參數對42CrMo銑削仿真結果的影響，利用切屑形態對比驗證了仿真結果的可靠性，并通過仿真得到不同切削參數下銑削力的變化規律。叢靖梅等[7]提出了一種預測薄壁件殘余應力變形的有限元仿真方法，并且基于這種方法，實現了對薄壁件加工工藝參數的優化。程耀楠等[8]建立了不同前角組合的銑削仿真模型，結合層切面銑刀進行試驗驗證，實現了協助刀具開發和優化切削參數的目的。

針對曲軸內銑加工中切削用量選取缺少標準、內銑加工可能產生變形的情況，通過有限元仿真預測了內銑加工參數和精度要求之間的關系，達到了優化曲軸內銑加工參數的目的，說明有限元仿真方法可以用于根據精度要求確定內銑加工參數。

1 切削過程有限元仿真

1.1 曲軸內銑切削幾何

內銑的切削靠刀盤和零件的相對運動完成，多種刀片按照一定規律安裝在刀盤上，每種刀片在刀盤上有1種或多種布置方式，每種銑刀刀片及其布置方式和工件形成1種切削幾何。

研究所用的銑刀刀盤上共有2種銑刀刀片，每種刀片在刀盤上只有1種布置方式和1種安裝角度，刀盤和曲軸之間只有2種切削幾何。其布置示意圖如圖1所示。

不同種類內銑加工機床的加工原理不同，我們基于德國Heller生產的RFK內銑加工機床進行研究。在加工主軸頸時，曲軸始終繞主軸頸中心旋轉，刀盤徑向進給到切削深度后停止進給，并且和曲軸同向以更高的速度旋轉，形成順銑的加工方式，曲軸旋轉1周后，一段軸頸曲面加工完成。在加工連桿軸頸時，曲軸同樣是繞主軸頸中心旋轉，刀盤徑向進給到切削深度后停止進給，刀盤在CNC控制下跟隨連桿軸頸的運動軌跡形成圓周進給，曲軸旋轉1周，連桿軸頸曲面銑削完成。雖然加工這2個部分時工件和刀盤相對于機床坐標系的運動方式不同，但是曲軸和刀盤的相對運動方式相同，形成同樣的切削幾何。

銑刀刀片和工件之間形成共2種切削幾何，曲軸繞主軸頸中心旋轉，刀片隨刀盤繞刀盤中心順著曲軸旋轉方向做旋轉運動，且速度遠大于曲軸旋轉速度。

1.2 建立切削仿真模型

曲軸的連桿軸頸相對于主軸頸來說剛度更弱，承受的載荷更為復雜，具有更惡劣的工況，所以選擇連桿軸頸的加工作為研究對象。曲軸零件相對來說較大，考慮到需進行三維銑削仿真，并且需要提取銑削力，會有較大的計算量，所以將曲軸零件模型簡化為截面為扇形的柱體。根據刀盤上刀片的分布情況，加工中4個刀片在工件上切過的最大角度為38°，考慮到切入和切出量，取扇形角度為60°。2種銑刀刀片按照1∶1的比例建立模型。刀片實物照片如圖2所示，仿真模型如圖3所示，工件仿真模型如圖4所示。

按照測量和分析得到的切削幾何在Abaqus中裝配切削模型，考慮到切入的第1刀不具有普遍性，在模型中布置4個刀片，每種刀片2個，2種刀片交錯布置，如圖5所示。前2個刀片用于形成切入幾何，這樣后2個刀片的切削就具有了普遍性，并且后2個刀片用于導出銑削力。

工件材料按照所用曲軸鋼的實際參數輸入塑性、密度、膨脹系數和損傷參數，材料本構采用Johnson-Cook(J-C)本構模型。刀片定義為剛體。

將模型網格化，為了得到更加精確的計算結果，將曲軸待加工表面及其附近部分的網格進行密化。按照表1設計的參數對工件和刀片施加相應的轉速載荷。

表1 曲軸內銑參數設計

1.3 仿真結果分析

對比同一截面上的第1刀和第2刀，發現第2刀的切削量遠小于第1刀，且刀盤轉速越快，單個刀片對應的切削量就越小。圖6是仿真中得到的X方向的銑削力，可以發現，在發生第1刀切削時銑削力波動明顯，且銑削力數值遠大于后續的銑削力，且直角刀片的銑削力要大于圓角刀片的。

圖7為內銑切削形貌的仿真。內銑中的材料去除量相比于曲軸整體較小，其銑削力影響有限，所以考慮加工中具有普遍性的最大銑削力，即直角刀片第2刀切削的銑削力。導出3種切削參數下直角刀片第2刀的銑削力并取穩定切削段的均值，其結果如表2所示。

表2 3種參數下的3個方向銑削力

從表2可以發現，隨著刀盤轉速的增大，3個方向的銑削力均呈減小趨勢。

2 銑削力作用下的曲軸變形仿真

為了研究銑削力對于曲軸連桿軸頸的作用效果，將仿真中獲得的銑削力施加到曲軸第三連桿軸頸上，并且對其圓柱度進行測量分析。

圖8 銑削力施加位置

2.1 施加切削力載荷

在切削過程中，隨著刀盤和曲軸的旋轉，銑刀和工件的接觸區域在連桿軸頸外圓面上旋轉，銑削載荷也在旋轉。而曲軸的第三連桿軸頸在不同方向上剛度不同，造成其變形量在不同方向上的差異，從而導致第三連桿軸頸在銑削后產生形狀和位置的誤差。為了揭示這種變形的差異，需要考慮銑刀在銑削連桿軸頸不同位置時的變形量。為此，在第三連桿軸頸外圓柱面上按照角度等分選取8個不同的銑刀銑削載荷施加位置，如圖9所示。

圖9 銑削力施加方法

仿真得到8個角度施加銑削力后的變形結果模型，得到如圖10所示的銑削力作用仿真結果。其中，變形量以加倍顯示的方式呈現以顯著體現變形量。

圖10 銑削力作用仿真結果

2.2 仿真結果分析

分別提取8個方向上的變形量，可以獲得第三連桿軸頸的銑削形狀，從而獲得其圓柱度等形狀誤差信息。獲取發生塑性變形后第三軸頸上點的坐標，將這些點導入GOM軟件，采用高斯擬合獲得內銑加工后曲軸第三連桿軸頸的外表面，測得其圓柱度誤差結果見表3。

表3 不同刀盤轉速銑削力下的曲軸連桿軸頸圓柱度誤差

隨著內銑刀盤的轉速升高，獲得的軸頸圓柱度誤差逐漸減小，但是減小的趨勢隨著轉速的提高有所下降(圖11)。在實際工程運用中，應該按圓柱度誤差要求選擇合適的切削參數。

圖11 圓柱度和刀盤轉速的關系

3 結論

通過有限元仿真獲得曲軸內銑的切削形貌模型，并且獲得了不同刀盤轉速下的銑削力數據。使用在8個方向分別加載銑削力的加載方式獲得了銑削力作用下曲軸變形的仿真模型。分析發現，曲軸內銑銑削力隨著刀盤轉速的提高而減小，且曲軸軸頸的圓柱度誤差也減小，但是誤差減小的速率隨著轉速的提高而降低。

通過有限元仿真可以在一定程度上預測曲軸的加工誤差，并且對內銑加工進行參數優化，但考慮到仿真中因為材料本構的缺陷、加工中不同批次材料性能的不一致、刀具磨損、設備狀況等因素，應該將仿真結果作為工程應用的考慮因素之一，同實際加工情況相結合來運用。