切槽加工刀片的有限元仿真與分析

何志平， 蔣炳炎

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

21世紀初期是中國汽車行業的黃金時期，尤其是近些年，中國的汽車行業更是獲得了長足的發展。作為汽車的核心部件，發動機的制造和發展越來越受到行業的關注，國內、外汽車品牌紛紛設立發動機工廠，包括發動機五大件之一的凸輪軸在內的汽車零配件的加工技術正處于蒸蒸日上態勢。凸輪軸是發動機中配氣機構中的重要部件，控制著發動機進、排氣門的開啟和關閉，對整個發動機的動力性、經濟性和排放等起著非常重要的作用。而凸輪軸屬于細長軸類零件，剛性差、易變形是其主要的加工特點［1-2］。因此，凸輪軸加工后的性能與質量將直接影響發動機整機性能。

本文針對特定客戶生產的鋼質凸輪軸半成品的加工特點，設計出一款可轉位硬質合金切槽加工刀片，利用AdvantEdge FEM仿真軟件對切槽加工刀片進行了仿真分析，為切槽加工推薦出了科學的切削參數。并通過Mises等效應力分析，說明了切槽加工刀片仿真模型的合理性。

1 鋼質凸輪軸半成品及其6.90 mm槽寬結構

鋼質凸輪軸半成品（切槽后、凸輪尚未成型）如圖1所示。該產品需加工的槽包括5 mm、6.90 mm、14 mm，其中6.90 mm寬度的槽最多且典型，6.90 mm寬度槽結構見圖1中放大圖。

以該特定的槽寬6.90 mm，底部圓弧半徑R2.0 mm作為研究對象，其技術要求如下：1）槽寬尺寸符合要求，公差為±0.05 mm；2）工件槽的側面粗糙度不高于Ra3.2；3）工件槽底部無明顯接刀痕跡，表面光潔；4）切槽加工過程穩定。

圖1 鋼質凸輪軸半成品及6.90 mm槽結構放大圖

2 AdvantEdge軟件簡介

AdvantEdge是專業的有限元分析仿真軟件，能夠通過設置機加工切削要素，對切削加工進行有限元計算和分析，通過仿真結果模擬真實切削加工，可從中得出各種切削加工性能指標，供用戶改進加工性能。

使用該軟件，可以在一定程度上減少昂貴的實驗費用，改善刀具的磨損和壽命，達到提高生產效率及機床使用率的目的。FEM是AdvantEdge軟件中的一個模塊，該模塊能夠進行微觀及宏觀的加工分析,模擬加工中材料的性能、力、熱、切屑等；提供詳細的銑削、車削、鉆孔、鏜削等工藝分析類型，具備豐富的后處理功能［2］。

3 有限元模型的建立

目前用于切削數值的模擬方法主要有Euler法和Lagrange法。Lagrange法是固體分析方法，有限元網格隨著工件的變形而變形。由于在切削過程中,切屑成形后的形狀不是固定的，需要不斷調整空間網格來描述邊界條件。因此，本文選用Lagrange法建立有限元模型,充分利用AdvantEdge中的自適應網格技術，提高運算精度［3-4］。

3.1 三維幾何模型的建立

結合上述鋼質凸輪軸半成品加工要求，使用三維建模軟件UG進行切槽刀片的造型設計，使其外形滿足寬6.90 mm刀尖圓弧半徑R2.0 mm要求，然后將其轉存為stp格式，再導入到AdvantEdge FEM有限元軟件中。模擬仿真用三維模型及外形尺寸如圖2所示，圖3為其二維模型圖形尺寸。

圖2 模擬仿真刀片模型

圖3 模擬仿真刀片二維模型尺寸

3.2 有限元網格劃分及模擬參數的確定

對切槽加工刀片和工件的有限元網格進行劃分，如表1所示。

表1 刀片和工件有限元網格劃分

切槽加工刀片網格化后的模型如圖4所示。

表2 切槽加工刀片槽型參數

3.3 模擬參數的設定

根據實際情況，設置刀具、工件材料。模擬分析采用的刀片為自主研制的6.90 mm寬切槽刀片，其槽型結構參數見表2；工件直接選用工件材料庫中的45鋼，工藝參數設置對話框如圖5所示，最終建立的模型如圖6所示［3-4］。

圖4 網格化后的模型

圖5 工藝參數設置

圖6 最終3D模型

4 切槽加工仿真分析

4.1 切削參數的正交實驗設計

正交實驗設計是一種非常有效的解決切削問題的方法。在切削實驗中使用合適的正交實驗設計方法，能夠大幅度地減少切削實驗的次數從而迅速找到最佳的切削參數搭配，能夠迅速有效地解決加工問題。以切削速度Vc和進給量Fn作為實驗的2個因素，采用切削溫度T和切削力F作為試驗指標，水平數選擇3，多方面考慮實驗的次數和結果，結合具體的生產加工節拍和工藝，可以在切削參數的經驗值范圍內選擇3水平因素值，如表3所示［6-9］。

4.2 切槽加工過程仿真

參照表3，能夠確定選用L9（34）正交表來進行實驗，如表4所示。先按照表中的參數進行仿真運算，再提取出仿真結果，如圖7所示。

表3 因素水平表

從圖7切削溫度和切削力仿真結果云圖以及表4正交實驗結果可以看出：1）切屑溫度最高達到1 007℃，刀具溫度最高達到944℃，切屑溫度較刀具溫度稍高，切槽加工過程中，切屑能夠帶走大部分的熱量，切屑的形成狀況對刀具的壽命影響很大。2）切削過程當中刀具部位的最高溫度主要分布在刀具前刀面與切屑接觸的狹小區域。因此，若切削加工參數選擇不合理，將導致切削溫度迅速升高，刀尖、刀刃容易產生粘結磨損。

表4 切槽加工切削溫度和切削力正交實驗結果

圖7 切削溫度和切削力仿真結果

4.3 切槽加工過程切削溫度分析

極差分析法的特點是簡單易懂、計算簡便和直觀形象，是正交實驗結果分析中最為普遍采取的方法。運用極差分析法，能夠對因素的主次順序、因素的最優水平組合進行確定，并繪制因素水平與指標趨勢圖。參照極差分析法，可以計算出切槽過程各切削參數下的溫度平均值，如切削速度Vc在水平1下的溫度平均值為TVc.1=（812.124+900.656+1 007.33）÷3=906.7℃。同樣，切削速度Vc在水平1下的切削力平均值為FVc.1=（6 500+7 500+9 000）÷3=7 666.67 N。

同樣的道理，計算出其他切削參數在各水平下的切槽加工切削溫度和切削力均值，并繪制切削參數-切削溫度圖（圖8）和切削參數-切削力圖（圖9）。

圖8 切削參數-切削溫度圖

圖9 切削參數-切削力圖

可以得出結論如下：1）切削溫度隨進給速度的增加而上升，切削力也隨進給速度的增加而上升；2）切削速度達到220 m/min時，在Fn=0.20～0.30 mm/r區間，該切削速度下產生的切削溫度比其他切削速度產生的溫度都高，即切削溫度在220 m/min時達到峰值，隨后降低；3）綜合考慮切槽加工的切削參數時應盡量避開極易產生切削溫度峰值的切削速度，如該場合下的Vc=220 m/min是不應被選用的，選擇時可選擇低于或高于該切削速度，由于切槽加工情況復雜,一般建議在速度較低的情況下進行,如80～210 m/min的線速度都是比較合適的；進給量推薦Fn=0.20～0.25 mm/r。

4.4 切槽加工Mises等效應力云圖分析

切槽加工特點是：1）它是一個主刀刃和2個副刀刃同時進行的三面切削，被加工材料塑性變形復雜，摩擦阻力大，加工進給量小，切削厚度薄，平均變形大，單位切削力增大，總切削力與功耗大，有統計它比一般外圓切削大20%左右。同時產生切削熱多，散熱差，切削溫度很高；2）隨著切削的深入，工件直徑不斷減小，切削速度不斷變化，切削力也在不斷變化；3）車削方式切槽加工的實質是：在工件旋轉的同時將刀具以一定進給切入，其在工件加工表面形成的是阿基米德螺旋線，因此切削加工過程中實際的前角和后角在不斷地發生變化，使加工過程更為復雜。

Mises stress作為一種等效應力，通過應力等值線表示刀具模型內部的應力分布狀況，它可以清晰地描述出同一種結果在整個模型中的變化分布。切槽加工Mises等效應力云圖如圖10所示。

圖10 Mises等效應力云圖

從Mises等效應力云圖中可以明顯看出，在可轉位切槽加工刀片的主切削刃、兩副切削刃和圓弧刃，以及刀片的后角面處所受到的Mises Stress為最大，達到1 000 MPa；其受力狀況與槽加工特點是一致的，從而說明了可轉位切槽加工刀片仿真模型的合理性。

5結語

1）通過切削溫度T和切削力F的正交實驗仿真分析，考慮到加工效率、工件受力彎曲等方面因素，推薦切槽加工切削參數：切削速度不應高于220 m/min，即Vc＜220 m/min，以 180～210 m/min 為宜；進給量推薦 Fn=0.20～0.25 mm/r；

2）通過Mises等效應力云圖可以看出，其受力狀況與切槽加工特點是相吻合的，從而說明了可轉位切槽加工刀片仿真模型的合理性，為可轉位切槽加工刀片產品的成功開發提供了理論依據。

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