高精密加工鏜刀參數優化研究*

□李小龍□周 燕□趙志峰

1.運城職業技術學院 機電工程系 山西運城 044000

2.運城職業技術學院 工程訓練中心 山西運城 044000

1 問題的提出

對于現代化制造業而言，機械加工工藝的指導作用是不可或缺的。由于近年來我國的制造科技水平不斷提升，機械加工工藝在機械加工過程中的重要性越來越突顯，在制造業中的地位也越來越重要。

隨著我國裝備制造業的高速發展，機械產品的加工要求與精度要求越來越高，產品材料層出不窮，難加工材料的應用也越來越廣泛[1]。針對難加工材料零件精度要求高、加工難度大的特點，加工過程中必須具備特殊的夾具、刀具、輔具及量具，這就導致了零件加工經濟成本和周期成本大幅增加。為了提高難加工材料的零件加工速度，筆者從刀具角度出發，對刀具進行優化設計。

筆者在詳細分析了某電機定子組件小直徑高精度軸承室技術參數后，綜合考慮其技術點，通過改進加工工藝、技術參數和夾具，使小直徑高精度軸承室在精加工后達到技術參數要求。小直徑高精度軸承室結構如圖1所示。

2 零件分析

2.1 圖紙分析

小直徑高精度軸承室由于用途的特殊性，決定了自身具有尺寸小、精度高、材料特殊、加工難度大的特點，是導致加工合格率和加工效率都不高的主要因素。

圖1 小直徑高精度軸承室結構

軸承室的尺寸要求包括左面內孔φ15 mm±0.002 mm和右面內孔φ19 mm±0.002 mm，同時需要滿足產品的幾何公差要求，具體為：φ15 mm±0.002 mm內孔對B基準的同軸度φ0.012 mm、圓柱度0.005 mm，其左端面對A基準的垂直度0.03 mm；φ19 mm±0.002 mm內孔對 B基準的同軸度φ0.012 mm、圓柱度 0.005 mm，其右端面對A基準的垂直度0.02 mm；60.7mm右端面對A基準的垂直度0.02 mm。

2.2 工藝方案分析

由于軸承室零件精度高，因此加工精度難保證。經過對加工方案進行分析和多次研討，整理出一套可行的工藝方案。

精車零件右端面及φ19 mm±0.002 mm內孔時，采用胎具裝夾。精車零件右端面，保證尺寸60.7mm，以及對A基準的垂直度0.02 mm。精車內孔φ19mm±0.002mm及其右端面φmm，保證內孔尺寸φ19 mm±0.002 mm、表面粗糙度Ra0.8 μm、圓柱度 0.005 mm，以及 φ19 mm±0.002 mm對外圓B基準的同軸度φ0.012 mm，保證內孔尺寸φmm和端面深度mm、對基準A的垂直度0.02 mm。

注意以上加工內容一次裝夾完成，數控機床采用12刀位德瑪吉DMC50H，刀具采用硬質合金鏜刀YG813，工藝裝備為外圓彈性夾套，內孔脹胎芯軸，技術要求為數控機床刀塔的回轉誤差小于0.005 mm。

精車零件左端φ15 mm±0.002 mm內孔及其端面時，以φ19 mm±0.002 mm內孔及其右端面定位，脹胎裝夾，精車φ15 mm±0.002 mm內孔及其端面φmm，保證內孔尺寸φ15mm±0.002mm、圓柱度0.005 mm、表面粗糙度Ra0.8 μm、對外圓基準B的同軸度φ0.012 mm，φmm尺寸精度及端面深度mm、對A基準的垂直度0.03mm。所采用的數控機床、刀具，以及工藝裝備和技術要求與精車右端面及內孔時相同。

所采用的加工工藝路線適應性強，對加工設備要求不高，但是對鏜刀的精度和強度要求卻較高。因此，為了實現對軸承室的高精度加工，需要對鏜刀進行參數化優化設計。

3 數學建模

3.1 材料模型

在切削過程中，零件材料會發生高溫、大應變等變化。為了更好地反映零件材料在切削過程中應變、應變率、應力和溫度之間的函數關系[2]，基于Johnson-Cook模型構建TC4鈦合金材料數學模型，這一模型直接反映了TC4材料的應變率強化效應及溫度軟化效應。TC4材料的彈性模量E為110 GPa，材料密度 ρ為 4.43 g/cm3，泊松比 μ 為 0.342，強度σb為1 012 MPa，比熱容C為526 J/（kg·℃），熱導率K為7.3 W/（m·℃），材料的數學模型為[3-4]：

式中：σ為材料流動應力；ε為材料應變；ε˙為材料應變率；ε˙0為材料參考應變率；T0為室內溫度；T為實測溫度；Tm為材料熔點。

刀具材料為YG813，其中鎢含量為94%，鈷含量為6%，密度為11.0g/cm3，熱導率為79W/（m·℃）。

3.2 刀具磨損模型

金屬切削加工過程的基本原理是通過刀具和零件相對運動，實現切屑與零件之間的分離。刀具與零件在切削過程中產生摩擦是不可避免的，刀具的磨損也就相應出現。減小磨損的途徑，主要是減小刀具和零件之間的應力關系[5]。在中低速切削加工鈦合金TC4過程中，根據鏜刀的角度，建立前刀面磨損率ωq、刀具后前角γ0和后角α0之間的預測模型：

4 鏜刀參數優化

根據95°內孔車刀的結構（圖2）和參數（表1）對鏜刀進行具體參數賦值[6]，鏜刀前角為15～20°，后角為 8～15°，刃傾角為 3～5°，主偏角為 90～95°，刀尖圓弧半徑為0.1～0.2 mm。

圖2 95°內孔車刀和結構

ANSYS Design Explorer是ANSYS軟件中的多目標優化模塊，筆者通過這一模塊擬合鏜刀參數優化后的最優設計點[7]。為了使鏜刀具在切削過程中受到的切削應力盡量小，對鏜刀參數進行優化求解，運用 ANSYS Design Explorer模塊產生 A、B、C、D四組優化后的候選優化設計點。對比四組優化后的設計點，得出其中C組為最優設計點，最大切削應力小于YG813的許用應力（1 150 MP），且鏜刀的前角、后角、刃傾角、主偏角和刀尖圓弧半徑都達到設計要求。將C組作為設計點驅動模型，所得出的分析結果與優化前參數進行對比，見表2。

表2 參數優化前后對比

5 有限元分析

為了準確合理模擬出金屬切削過程，考慮有限元模擬精度和網格劃分對仿真的影響，將零件加工過程中鏜刀與零件的接觸模型假設為剛塑性接觸模型[8]。

根據優化后的鏜刀參數，應用CATIA軟件對鏜刀進行有限元建模，根據軸承室的內孔尺寸選擇09R0808鏜刀，如圖3所示。應用ANSYS軟件進行網格劃分、靜力學分析，得到鏜刀在高精度加工過程中的受力變形，確認鏜刀參數滿足加工的要求[9-12]，如圖4～圖6所示。

圖3 鏜刀三維模型

圖4 鏜刀有限元模型

圖5 鏜刀靜態應力分析

圖6 鏜刀靜態應變分析

鏜刀在加工過程中，根據切深0.2 mm、進給0.06 mm/r分析，鏜刀在刀桿和刀頭接觸處受到的最大應力為369 Pa，鏜刀的強度遠遠小于刀具的許用應力。鏜刀最大應變出現在刀桿和刀頭接觸處，為4.4×10-9mm，遠小于刀具的安全應變量。

6 試驗分析

基于理論分析后的參數，對鏜刀進行優化，并進行試驗驗證。

6.1 試驗條件

每批次試驗零件數量為23件，機床為12刀位德瑪吉DMC50H，鏜刀前角為18.8°，后角為14.7°，刃傾角為4.3°，主偏角為90.8°，刀尖圓弧半徑為0.08 mm。機床轉速為850 r/min,切深為0.2 mm，進給量為0.06 mm/r。

6.2 結果分析

對23件軸承室進行檢測，檢測記錄見表3。

通過對23件軸承室進行試驗加工，得到零件均在設計要求的允許公差范圍內，證明經過參數優化后的鏜刀能夠實現高精度加工。

表3 軸承座檢測記錄

7 結論

筆者針對某電機定子組件小直徑高精度軸承室加工過程中幾何公差要求高、加工難度大的情況，利用ANSYS Design Explorer模塊對鏜刀進行參數優化，得出一組多目標優化后的鏜刀最優參數，不但省去了大量的試驗計算，而且使優化結果更加精確。優化后的鏜刀應用于生產任務中，提高了零件加工精度，同時還降低了刀具的磨損率。