蔣 濤,景旭文,黛米格

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

船用柴油機(jī)有熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、啟動(dòng)容易、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置和船舶電站[1]．機(jī)體是柴油機(jī)主要組成部分,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在壁薄處受加工過程力熱耦合作用、裝夾等影響,易產(chǎn)生較大的變形．機(jī)體框架件加工精度控制是提高柴油機(jī)加工精度的瓶頸因素之一．曲軸孔作為柴油機(jī)機(jī)體上的關(guān)鍵部位,其加工過程受裝夾工藝及切削工藝的影響,容易產(chǎn)生變形使孔系同軸度、位置度超差,而機(jī)體關(guān)鍵孔系的變形對(duì)柴油機(jī)的性能、精度和壽命有著直接的影響．

目前,國內(nèi)外已有很多學(xué)者針對(duì)零件切削加工精度問題進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[2]研究了重型機(jī)床大零件鏜削加工機(jī)理,采用正交試驗(yàn)建立切削參數(shù)優(yōu)化,分析各參數(shù)對(duì)切削力、表面粗糙度及道具磨損影響規(guī)律并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[3]通過有限元建立球墨鑄鐵件的切削加工過程,優(yōu)化實(shí)際加工參數(shù),抑制切削毛刺的生成;文獻(xiàn)[4]采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高了加工質(zhì)量,節(jié)省了加工時(shí)間;文獻(xiàn)[5]建立船用柴油機(jī)關(guān)鍵件銑削加工過程中的單目標(biāo)及多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,求解后與經(jīng)驗(yàn)切削參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,得到了最優(yōu)參數(shù);文獻(xiàn)[6]將逐步搜索法應(yīng)用于某零件的切削參數(shù)優(yōu)化,以一種分步分層的方式進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),最終得到了局部最優(yōu)解;文獻(xiàn)[7]利用圖形法建立數(shù)學(xué)模型,研究數(shù)控銑削機(jī)床的切削加工,對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并取得一定的優(yōu)化效果,但存在設(shè)置單一、推廣性差的問題;文獻(xiàn)[8]使用仿真和編程軟件優(yōu)化了切削加工參數(shù),已經(jīng)在車間成功應(yīng)用;文獻(xiàn)[9]通過切削參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化工件表面的粗糙度．上述研究成果大部分以優(yōu)化表面加工質(zhì)量或時(shí)間,少部分關(guān)注零件的變形情況,且在優(yōu)化切削過程中沒有考慮重力和裝夾[10]對(duì)加工精度的影響，文獻(xiàn)[11]應(yīng)用Deform-3D軟件建立切削模型，得到不同切削參數(shù)下的切削力變化規(guī)律．

因此，文中采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與均值分析結(jié)合的方法,以減少機(jī)體關(guān)鍵孔系加工過程中的變形為目標(biāo),進(jìn)行有限元數(shù)值研究及理論分析,在裝夾和自重的作用下,探求鏜削參數(shù)要素對(duì)加工變形的影響大小,最終得到優(yōu)化的鏜削參數(shù)組合,從而為優(yōu)化孔系加工工藝提供參考．

1 優(yōu)化方法建立

鏜削加工過程中的變形與鏜削力和鏜削熱有關(guān),為深入了解不同鏜削工藝參數(shù)對(duì)機(jī)體曲軸孔加工精度影響,運(yùn)用Deform-3D模擬曲軸孔鏜削過程,分析切削力和切削熱的分布和大?。\(yùn)用ABAQUS軟件,分析切削力、切削熱、夾緊力和自身重力對(duì)孔變形的影響,最終通過此有限元仿真方法運(yùn)用minitab正交試驗(yàn)優(yōu)化鏜削工藝參數(shù),仿真優(yōu)化流程如圖1．

圖1 鏜削切削參數(shù)優(yōu)化流程Fig.1 Boring cutting parameter optimization process

2 有限元模型

2.1 工件材料本構(gòu)模型

金屬切削加工是一個(gè)大塑性變形過程,伴隨著高溫、高壓及高應(yīng)變速率．Johnson-cook模型在金屬大變形、高應(yīng)變和高溫條件下有較好特性的本構(gòu)模型,特別在瞬態(tài)仿真中廣泛應(yīng)用,是模擬切削最常用的本構(gòu)關(guān)系,其表達(dá)式如下:

(1)

2.2 鏜削有限元模型

建立機(jī)體曲軸孔半精鏜削加工,以及切削刀具、切削參數(shù)及工件材料,如表1．球墨鑄鐵QT500-7材料力學(xué)性能[11],如表2．

表1 切削條件參數(shù)Table 1 Cutting condition parameters

表2 球墨鑄鐵QT500-7材料力學(xué)性能Table 2 Material mechanics performance of Ductile iron QT500-7

運(yùn)用三維建模軟件UG建立刀具模型,并導(dǎo)入仿真軟件中．工件模型由有限元仿真軟件內(nèi)部生成,包括設(shè)定工件的直徑和弧度．

應(yīng)用有限元軟件Deform-3D,建立鏜削有限元模型,選擇加工類型為鏜削,單位標(biāo)準(zhǔn)SI,環(huán)境溫度20℃,傳熱系數(shù)60 W/m2·K,對(duì)導(dǎo)入的刀具和生成的工件劃分網(wǎng)格并定義其材料,Deform軟件自身具有網(wǎng)格自動(dòng)劃分處理器,能夠進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分,建立鏜削有限元模型如圖2．

圖2 鏜削有限元模型Fig.2 Boring finite element model

Deform在計(jì)算過程中,當(dāng)網(wǎng)格畸變達(dá)到一定程度會(huì)自動(dòng)重新劃分畸變的網(wǎng)格,生成新的高質(zhì)量網(wǎng)格,以提高計(jì)算的精度．計(jì)算完成后,在后處理模塊中輸出切削溫度云圖(圖3)．從圖3中可以得出最高溫度出現(xiàn)在刀具和工件接觸表面上,同時(shí)輸出切削力和切削溫度隨時(shí)間變化曲線,如圖4、5．將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾,去除嚴(yán)重偏離平均水平的異常數(shù)據(jù),得到切削力和切削溫度的穩(wěn)態(tài)值．

圖4 主切削力Fy曲線Fig.4 Main cutting force Fy graph

圖5 切削熱曲線Fig.5 Cutting heat graph (vc=150 r/min, ap=0.1 mm, f=20 mm/min)

2.3 裝夾有限元模型建立

機(jī)體曲軸孔在加工過程中,有特定的裝夾方式,考慮到機(jī)體裝夾和重力對(duì)其的影響,建立機(jī)體裝夾有限元模型．該機(jī)體的三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,壁薄且孔多,在有限元建模之前需要對(duì)模型進(jìn)行處理,去除對(duì)結(jié)果影響小的復(fù)雜區(qū)域,如圓角、倒角、細(xì)小孔等,得到圖6機(jī)體毛坯三維模型．

圖6 機(jī)體毛坯三維模型Fig.6 Simplified three-dimensional model of body blank

應(yīng)用有限元軟件HyperMesh,對(duì)圖6機(jī)體毛坯模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖7．在曲軸孔位置劃分六面體網(wǎng)格并局部加密,以增加計(jì)算的準(zhǔn)確性,其他位置劃分四面體網(wǎng)格．將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ABAQUS軟件,定義機(jī)體的材料參數(shù),彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系數(shù)．根據(jù)實(shí)際裝夾情況定義零件的約束和夾緊壓強(qiáng)并施加重力載荷．在機(jī)體底部4個(gè)位置限制它的6個(gè)自由度,并施加夾緊壓強(qiáng)57.8 MPa,在中間支撐塊兩個(gè)位置限制3個(gè)自由度,在Y軸正方向設(shè)置重力加速度,施加自身重力載荷．

圖7 機(jī)體網(wǎng)格模型及裝夾載荷約束Fig.7 Body grid modeland the clamping load and constraints

2.4 切削力和切削熱施加

將Deform-3D中切削有限元仿真得到的切削熱和切削力以靜載荷的方式施加到受裝夾的工件上,如圖8．

圖8 切削載荷施加Fig.8 Cutting load applied

計(jì)算得到曲軸孔的變形位移云圖,在上述參數(shù)作用下孔的最大變形位移為0.039 5 mm,如圖9．在相同的約束作用下,不施加重力和裝夾載荷,在相同參數(shù)作用下孔的最大變形位移為0.042 1 mm,說明重力和裝夾對(duì)機(jī)體曲軸孔切削變形有一定影響．

圖9 機(jī)體曲軸孔變形位移云圖Fig.9 Deformation displacement nephogram of the body curved shaft hole

3 鏜削參數(shù)優(yōu)化

基于有限元仿真方法,應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件minitab15,以曲軸孔半精鏜削加工中切削速度、切削深度、進(jìn)給速度的變化為3個(gè)主要因素,設(shè)計(jì)三因素三水平L9(33)正交試驗(yàn),得到結(jié)果如表3．

表3 鏜削參數(shù)正交試驗(yàn)方案及變形位移結(jié)果Table 3 Boring parameters of orthogonal experiment and deformation displacement results

對(duì)表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行均值分析,研究3個(gè)因素對(duì)曲軸孔變形的影響程度．為了直觀地表示出這3個(gè)切削參數(shù)的影響程度,輸入正交試驗(yàn)分析軟件中進(jìn)行均值分析,得出均值曲線,如圖10．

圖10 切削要素均值曲線圖Fig.10 Mean value curveof cutting factors

可知正交試驗(yàn)最佳方案是切削速度133.136 m/min,切削深度0.1 mm,進(jìn)給速度20 mm/min．對(duì)這組參數(shù)再次仿真分析,結(jié)果如表4,在優(yōu)化參數(shù)作用下的曲軸孔變形量要小于原始工藝參數(shù)作用下的變形量,最大變形位移減小了20.5%．

表4 切削參數(shù)優(yōu)化Table 4 Cutting parameters optimization

4 結(jié)論

(1) 建立了某型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體曲軸孔半精鏜削加工有限元模型,分析了不同切削工藝參數(shù)下的切削力和切削熱大小和分布．建立機(jī)體裝夾有限元模型,將切削力和切削熱施加到受裝夾的工件上,并考慮其自重影響,得到機(jī)體曲軸孔變形云圖．

(2) 建立柴油機(jī)曲軸孔鏜削參數(shù)優(yōu)化方法,以曲軸孔最小變形為優(yōu)化目標(biāo),切削速度、切削深度和進(jìn)給速度為優(yōu)化變量,優(yōu)化得到曲軸孔半精鏜削加工工切削速度133.136 m/min,切削深度0.1 mm,進(jìn)給速度20 mm/min,在此參數(shù)下變形率減小了20.5%．通過運(yùn)用有限元技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化方法,可以看出在3個(gè)切削要素中,切削深度ap對(duì)機(jī)體孔變形影響最大,因?yàn)榍邢魃疃仍酱笄邢髁颓邢鳠峋驮酱?其次就是進(jìn)給速度f,影響最小的是切削速度vc．

(3) 機(jī)體零件的加工精度和質(zhì)量對(duì)柴油機(jī)零件的裝配和后期使用具有重要影響．通過有限元仿真分析優(yōu)化了實(shí)例中柴油機(jī)機(jī)身曲軸孔加工工藝參數(shù),為控制柴油機(jī)機(jī)體加工精度提供了有效方法,在分析鏜削加工對(duì)孔產(chǎn)生變形的同時(shí)考慮裝夾和自身重量對(duì)其影響,使得鏜削工藝參數(shù)為最優(yōu)選的,為實(shí)際機(jī)體關(guān)鍵孔切削加工參數(shù)的選擇提供參考．