汽車關鍵部件數控切削過程仿真與工藝優化

王丹偉，安慶龍，明偉偉，陳 明

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

1 前言

機械制造業的水平是一個國家綜合實力的重要標志，而金屬切削技術的發展則是一個國家制造業實力與能力的象征，對現代制造業的發展具有重要的意義。切削加工仍是目前最為廣泛應用的機械零件制造方法。隨著科學技術的發展，高性能加工問題已經成為越來越多研究者關注的重點[1]。所謂高性能加工，是指在保證產品制造質量的前提下，使加工效率最高、成本最低的加工優化問題。國內外關于高性能加工的相關研究有：刀具材料、刀具幾何參數與結構的研究與優化設計[2-4]；高速、高精度加工機理的研究[5-6]；基于有限元的加工過程建模與分析[7-8]；加工過程監控與工藝系統故障診斷[9-10]；加工過程仿真與工藝參數優化設計[11-14]等。

在汽車關鍵零部件制造中，變速箱箱體和電磁閥閥體這兩類零部件的加工占據重要地位。而在保證零件加工精度的前提下，復雜的加工工藝和采用的難加工材料使得加工效率低，刀具壽命短，生產成本高。因此，在已確定的加工環境下，優化加工工藝及相關切削參數是協調加工質量、效率和成本目標的主要途徑之一。而對以上兩類零部件進行切削過程仿真及工藝參數優化，能為提高加工效率，從而降低生產成本提供有力的技術支持。為此，將以上述兩種零部件為對象，研究基于PM的加工過程仿真，并針對變速箱箱體的數控程序進行參數優化，對比優化前后的切削力、加工時間，同時將基于仿真結果，探討電磁閥閥體深孔鉆削時出現斷刀現象的原因。

2 基于PM的切削過程建模與仿真

Production Module（簡稱PM）是Third Wave Systems公司開發的一款工藝分析軟件，集工件材料屬性、CAD/CAM和機床動力學于一體，通過對工件、刀具、機床及NC程序的綜合分析，可得到整個加工過程中的切削力、溫度、材料去除率及消耗功率等數據，從而對數控加工工藝過程進行合理性評價。同時可以針對優化NC程序中進給量及切削速度參數，以達到穩定切削力或切削溫度，降低振動以及縮減加工周期的效果。利用PM軟件，能清楚地了解切削加工過程并確定需要改進的方向，可避免添置額外設備，有利于充分發揮機床性能。這里PM軟件仿真所采用的材料本構模型為Johnson-Cock模型，如式（1）所示。該模型考慮了應變速率和溫度對應力的影響，反應了切削過程的物理本質，能較為準確的描述實際切削過程中應力應變的關系，為獲取有效數據提供理論依據。

PM的仿真界面和應用示例，如圖1所示。分析可得，通過PM進行切削運動仿真，可實時獲取加工過程中的切削力與進給速率，為后續工藝參數優化提供數據支撐。通過軟件優化，切削力與切削功率的峰值和突變得到有效降低，能有效減少加工過程的沖擊載荷，減少刀具崩刃的產生；同時，從均化載荷出發對加工程序進行優化，使加工時間得到縮減。基于以上討論，將對變速箱箱體和電磁閥閥體進行數控切削過程仿真，同時對變速箱箱體端面銑削時的切削參數進行優化，對深孔鉆削電磁閥閥體時出現的斷刀現象進行分析。

圖1 Production Module軟件界面與應用示例Fig.1 Production Module Interface and Application Examples

3 仿真結果分析與討論

3.1 變速箱箱體面銑削過程仿真與參數優化

變速箱箱體端面銑削主要包括三道工序，對應三個不同位置，分別命名為面A、面B、和面C。仿真設置的工件材料為A380鋁合金，由于加工面較大，需采用盤銑刀提高加工效率。盤銑刀的刀柄直徑為58mm，裝有9個刀片，刀片圓角半徑為0.8mm。仿真采用的優化前的切削參數與實際加工采用的參數一致。采用優化前切削參數對面A進行端銑削時對應的切削力大小，如圖2所示。分析可得，在整個切削過程中切削力不是均勻恒定的，時常會出現一些波峰。分析其原因是由于變速箱箱體幾何形狀復雜，因此在加工過程中采用恒定的切削參數會導致材料去除率的變化，對應波峰位置即為材料去除率較大的切削位置，刀具載荷高，容易引起切削振動，影響加工質量，損傷刀具壽命。因此，基于PM進行切削參數優化。優化目標為使銑削力均勻，盡量減少銑削力的突變。

圖2 面A端銑優化前切削力示意圖Fig.2 Cutting Force Simulation Results before Optimization of Face A

基于以上分析，在PM中選擇的優化方式是根據優化前最大銑削力優化進給速度，在考慮刀具壽命和刀尖強度的情況下，當銑削力低于優化前銑削力均勻分布處的最大值時，切削參數中可適當增大進給量。

優化前后對應的進給速度仿真結果，如圖3所示。從圖中可以看出，優化前采用的進給速度是恒定不變的，大小為7560mm/min，而優化后的進給速度則根據切削力變化進行了調整，在加工過程中實現變進給切削，最大進給速度可達9000mm/min。實現變進給切削，即在銑削力較低時適當增大進給速度，在出現力峰值的地方減小進給速度，最終減小切削力的突變，實現穩定加工過程。

面A優化前后銑削力仿真結果對比，如圖4所示。從圖中可以看出，優化切削參數后的銑削力相比于優化前更加均衡平穩，原始力信號中的幾處明顯突變消失，優化后的切削力峰值變化較小，切削過程更加穩定，同時加工時間縮短，加工效率提高。為了進一步驗證PM軟件優化的可行性與正確性，對面B與面C進行了同樣的切削過程仿真與工藝優化，優化前后的切削力仿真結果，如圖5所示。其中，一種曲線代表優化前切削力隨時間的變化情況，另一種曲線代表優化后的切削力變化值。從圖中可以明顯看出，無論是面B還是面C銑削時，優化后的切削力相比于優化前總是更加平穩，切削力峰值顯著降低，這意味著切削過程中刀具受到的沖擊顯著減小，刀具壽命提高，切削更加平穩。

圖5 面B與面C優化前后切削力仿真結果Fig.5 Cutting Force Simulation Results before and after Optimization of Face B and C

變速箱箱體面銑削優化前后采用的切削參數以及加工時間的對比，如表1所示。分析可得，通過仿真優化后的進給速度上限顯著提升，同時優化后的加工時間相比優化前縮短，計算可得加工效率最終可提高8%。

表1 優化前后加工參數及時間對比Tab.1 Processing Parameters and Time Comparison before and after Optimization

3.2 電磁閥閥體深孔鉸削過程仿真與工藝優化

電磁閥閥體深孔鉸削仿真模型與毛坯，如圖6所示；仿真中工件材料設置為美標鑄鋁Al383，刀具直徑為?14.2mm，刀具材料為硬質合金，前后角分別為0°和15°。將閥體毛坯三維模型、加工NC代碼、刀具幾何參數導入PM軟件，完成工藝仿真環境配置后，即可對閥體鉸孔加工過程進行仿真。根據實際生產加工工藝，該刀具一次裝夾需完成兩個對稱孔的鉸削加工，余量及加工參數完全相同，故選擇其中一個孔進行仿真分析。依照實際生產中所采用的參數，選取的各階段仿真參數，如表2所示。

圖6 閥體仿真模型與材料參數選擇Fig.6 Valve Body Simulation Model and Material Parameter Selection

表2 鉸孔各階段切削參數Tab.2 Cutting Parameters of Each Stage of Reaming

鉸孔過程中隨時間變化的切向力與徑向力仿真結果，如圖7所示。從圖中可以得到鉸孔加工前大部分時間切削較為平穩，切向切削力大小為（200～250）N，而隨著鉸孔深度的增大，在鉸孔至最深處切向切削力發生突變，達到945.1N，這種突變會對刀具切削刃產生較大沖擊，同時會對刀具產生較大的瞬時扭矩，容易導致刀具折斷。軟件仿真得到的鉸刀所承受的徑向力，與前面切向力變化規律一致，在鉸孔過程的前面部分，徑向力變化較為平穩，數值在（75～100）N，在切削結束階段，刀具受到的徑向力存在突變，最大達到432.2N，而徑向力的突變則會給刀具產生較大的彎矩，導致刀具折斷。

圖7 仿真力結果Fig.7 Result of Simulation Force

仿真得到的機床主軸功率與扭矩變化曲線，如圖8所示，可以看出在鉸孔加工過程中切削力的突變點處，機床主軸的功率和扭矩取得最大值，分別為2.83kW和3.38N·m。分析以上仿真結果可知，當鉸刀加工到孔的底部時，切削力發生突變，使刀具短時間內承受較大的突變載荷，刀具所受彎矩和扭矩都大幅度增加。對比實際加工工藝可知，鉸刀加工前毛坯孔為一錐度孔，除去入口處加工的先導孔，其內徑隨深度增大而逐漸減小，故鉸刀實際切削寬度隨軸向進給增大而逐漸增大，對應前階段切削力逐漸平穩慢速增加的過程，在鉸孔至最深時的切削階段，即D點到E點（參考圖6毛坯示意圖），由于鉸刀要鉆破孔壁，切削寬度存在突變，最大切削寬度達到刀具直徑，遠遠大于之前切削寬度，因此切削力存在突變，從而證實了圖7與圖8的仿真結果。同時從表2可以看出，D點到E點過程中，在實際加工生產中，為了降低切削力，刀具進給速度從1920mm/min降低到1280mm/min，但進給速度降低的幅度仍不夠，使得最終鉸刀鉆出過程切削力和扭矩要遠大于正常切削階段，嚴重影響刀具壽命。因此，可以看出在電磁閥閥體深孔鉸削時，不合理的加工參數與刀具設計所引起的較沖擊和瞬時力矩是引起斷刀的主要原因。

圖8 主軸功率與扭矩結果Fig.8 Results of Spindle Power and Torque

4 實驗驗證

在實際變速箱箱體生產線上針對銑削面A、面B和面C設計實驗，分別采用PM仿真優化前以及優化后的切削參數，兩種參數下進行了多次切削。采用優化后的切削參數在時間節拍上提高了7%左右。切削力、切削功率和扭矩與仿真的結果存在一定的誤差，但在切削參數優化后零件的加工表面質量和刀具的使用情況與優化前相比有了較好的提升。在電磁閥閥體的深孔鉸削工藝中刀具的斷刀情況也得到了改善。

5 結論和展望

基于PM軟件對汽車關鍵零部件變速箱和電磁閥的切削加工過程進行了仿真，結果表明在變速箱箱體面銑削時，加工過程中改變進給速度，實現變進給加工可有效減小加工過程中力的峰值，減少刀具沖擊，從而提高刀具壽命，降低成本。同時，通過PM仿真與優化，發現優化后的程序可使得變速箱箱體加工效率提高8%。針對電磁閥閥體深孔鉸削，不合理的加工參數與刀具設計在加工即將結束時會引起較大的切削力波動，機床主軸功率與扭矩顯著增大，此時刀具承受扭矩與彎矩明顯提高，易造成斷刀。

用工藝仿真軟件輔助進行加工狀態分析，可以大大提高分析計算效果，同時減少時間成本。但由于實際實驗中仍存在一些不可去除的干擾因素，因此軟件仿真結果與真實實驗結果會存在一些偏差，故有待進一步的實驗驗證與深入研究分析，綜合考慮各種因素如模型的構造、仿真參數的合理設置、數據的處理等問題。