復(fù)合排齒圈車削模型的有限元仿真

陳珊珊，周勇

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

薄壁回轉(zhuǎn)體零件具有結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量相對較輕的特點(diǎn)，在航空航天、精密儀器、汽車等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1］。坦克傳動系統(tǒng)中齒圈屬于此類零件，因其工作載荷大，采用高強(qiáng)度材料，加工中易產(chǎn)生變形，工藝參數(shù)對零件加工質(zhì)量具有重要影響。文中以復(fù)合排大齒圈為研究對象，建立了齒圈切削模型，利用Deform3D軟件，仿真分析了不同切削參數(shù)下切削力和切削熱對齒圈加工精度的影響，為齒圈工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 齒圈有限元模型

1.1 齒圈結(jié)構(gòu)

復(fù)合排大齒圈是裝甲車上典型的薄壁回轉(zhuǎn)類零件，其毛坯外圓尺寸400 mm×320 mm×80 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其毛坯如圖2所示。

圖1 零件三維圖

圖2 復(fù)合排齒圈毛坯

1.2 工件材料模型

工件材料的本構(gòu)模型要求能準(zhǔn)確描述切削過程中應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等關(guān)系。齒圈材料為40CrNiMoA，采用的數(shù)值模型如下:

1.3 磨損模型

齒圈仿真分析采用Usui模型，其適用于連續(xù)的金屬切削加工分析。該模型如下所示:

式中:w為磨損深度;p為接觸壓力;v為滑移速度;T為接觸面溫度;dt為時間增量;a、b為常數(shù)。

1.4 齒圈仿真模型

為便于計(jì)算，取齒圈外圓上的1/24(即15°)進(jìn)行建模，彈塑性體。刀具采用刀具庫中的DNMA432，刀具材料為WC，剛形體 (rigid)，刀架為夾具中的DDJNL，齒圈仿真模型如圖3所示。

圖3 齒圈切削仿真模型

在仿真軟件中設(shè)置仿真步數(shù)為800，存儲增量為25步保存一次。采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位制SI，仿真模式為熱傳遞和變形，變形求解器采用Sparse解法。

在齒圈仿真分析中，不考慮刀具的應(yīng)力應(yīng)變，采用絕對網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸比例為4，網(wǎng)格數(shù)為25 000。工件切削過程屬于非線性問題，工件采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃技術(shù)，使工件上的網(wǎng)格能夠根據(jù)應(yīng)變梯度、應(yīng)變率梯度和溫度梯度的分布自動重劃和加密網(wǎng)格。此外，在本模型中使用的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)是基于更新的Lagrange算法，刀具和工件網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 刀具和工件網(wǎng)格劃分圖

為了分析不同切削條件下切削力和切削溫度對工件的影響規(guī)律，預(yù)設(shè)置了不同切削參數(shù)，如表1所示，仿真中各切削影響系數(shù)如表2所示。

表1 切削參數(shù)模擬分組

表2 切削影響系數(shù)

2 齒圈切削仿真

2.1 切削參數(shù)對切削力影響

切削力包括主切削力、進(jìn)給抗力和切深抗力。在齒圈切削仿真中主要分析切削參數(shù)對主切削力的影響。圖5為當(dāng)切削速度為24 m/min，切削深度為0.5 mm和進(jìn)給量為0.3 mm/r時的主切削力變化曲線。由圖可知，初始階段切削力快速上升;當(dāng)切削狀態(tài)穩(wěn)定后，主切削力趨向穩(wěn)定。但是，主切削力在一定范圍內(nèi)波動，這是因?yàn)榍行忌哨呌谄椒€(wěn)規(guī)律，切削力也趨于平穩(wěn)，又由于材料硬化、網(wǎng)格重劃和切屑接觸分離等原因?qū)е虑邢髁η€呈“鋸齒”狀。

圖5 主切削力變化曲線

圖6 不同切削速度下主切削力變化曲線

由圖6可以得到，當(dāng)切削速度小于400 m/min時切削力隨速度增大而增大，而當(dāng)切削速度在400 m/min到1 200 m/min之間時，切削力并沒有明顯增加，而是在一定范圍內(nèi)波動，當(dāng)速度在1 500 m/min時切削力沒有增加反而有減小的趨勢，可見切削力隨切削速度增大而先增大后減小，1 200 m/min為其拐點(diǎn)。

當(dāng)切削速度為24 m/min，進(jìn)給量為0.3 mm/r時，不同切削深度下主切削力的變化曲線如圖7所示，由圖可見，相同切削速度和進(jìn)給量下，切削深度越大，切削力變化斜率越大，切削力越大，且切削深度小于0.3 mm時切削力有先增大后減小到平穩(wěn)的趨勢。圖8為相同切削速度和切削深度下，主切削力隨進(jìn)給量變化而變化的曲線，從圖8中可以得到:進(jìn)給量增大，主切削力也增大。

圖7 不同切削深度下主切削力變化曲線(v=24 m/min，f=0.3 mm/r)

圖8 不同進(jìn)給量下主切削力變化曲線(v=24 m/min，ap=0.3 mm)

2.2 切削參數(shù)對切削溫度的影響

切削熱直接影響刀具壽命以及工件的性能、加工精度和已加工表面質(zhì)量等。在切削加工中，切削溫度的升高主要是由局部的能量耗散引起的。從圖9(a)看出切屑上的最高溫度 (約410℃)并不是在刀刃上，而是在離刀刃有一定距離的前刀面與切屑的接觸區(qū)中。這是由于切屑沿著前刀面流動，使得切屑表面的溫度來不及冷卻便再次由于刀屑間的擠壓和摩擦而使得切削溫度進(jìn)一步上升。圖9(b)為刀具的溫度分布圖，由于刀具與工件接觸面積較小導(dǎo)致熱量主要集中在刀尖上，最高溫度有225℃。

圖9 溫度分布圖 (v=24 m/min，ap=0.5 mm，f=0.3 mm/r)

圖10分別為切削速度、切削深度和進(jìn)給量對切削溫度的影響曲線。由圖可見，3個切削參數(shù)的增加都會使切削溫度變大，但是切削速度對其影響最明顯，切削深度次之，進(jìn)給量影響最小。同切削力一樣，當(dāng)切削狀態(tài)穩(wěn)定后，切削溫度上升到一定值就維持在一定范圍內(nèi)波動不再持續(xù)升高，這是因?yàn)殡S著切屑持續(xù)的生成會帶走熱量而使溫度處于平衡狀態(tài)。

圖10 切削參數(shù)對工件切削溫度影響曲線

與切削力相比，切削參數(shù)對切削溫度的影響小。為保證切削效率和工件精度，在設(shè)計(jì)復(fù)合排齒圈工藝時，優(yōu)先選用較大的切削速度，然后選擇較小的切削深度和進(jìn)給量，這為工藝參數(shù)優(yōu)化和刀具的選擇提供了參考依據(jù)。

綜合考慮工藝參數(shù)對切削速度和切削溫度的影響，實(shí)際加工中的切削速度選擇拐點(diǎn)后的1 500 m/min，切削深度為0.3 mm，進(jìn)給量為0.5 mm/r，既避免了切削速度太大對刀具的高要求，較大的切削深度和進(jìn)給量也保證了實(shí)際加工效率。

3 結(jié)論

仿真分析了復(fù)合排齒圈的加工過程中切削參數(shù)對切削力和切削熱的影響規(guī)律，得到了工件的切削力和溫度場分布圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合排齒圈加工中切削速度、進(jìn)給量和切削深度與切削力和切削溫度之間關(guān)系。仿真分析結(jié)果對復(fù)合排齒圈工藝設(shè)計(jì)具有參考意義，同時，仿真結(jié)果對薄壁件加工工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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