模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工優(yōu)化技術(shù)*

朱 宇，韓學軍

(大連職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，大連 116035)

0 引言

機械模具是一種用于機械制品成形的工具，它包括多種部件，不同的模具是由不同的部件組成的。根據(jù)機械模具的用途可以將其分為機械框架浸塑模具、機械沖壓模具、機械鍛模以及機械擠壓模具等。大多數(shù)機械模具均選用模具鋼作為原材料，由于模具鋼具有硬度高、耐磨性強、抗熱疲勞能力強等特點，被廣泛的應用到機械磨具的加工生產(chǎn)工作中。為了保證機械工具的加工質(zhì)量，對機械模具的加工質(zhì)量提出了更高的要求。

從結(jié)構(gòu)上看，凸曲面以及超細微孔是模具鋼的重要組成部分，凸曲面為表面具有明顯凸起的曲面結(jié)構(gòu)，而超細微孔指的是孔徑低于0.1 mm的孔，超細微孔分為導通孔和不導通孔兩種類型，根據(jù)機械模具的需要選擇不同的超細微孔加工方式。由于凸曲面和超細微孔的存在，為模具鋼的加工工作帶來較大難度和挑戰(zhàn)[1]。

為了實現(xiàn)對模具鋼凸曲面超細微孔的加工選擇鉆削作為加工方式，目前針對超細微孔鉆削加工技術(shù)也得到了部分較好的研究成果。樊瑞軍等[2]設計了一次正交實驗，在實際生產(chǎn)中采集不銹鋼微小孔鉆削加工參數(shù)，利用正交實驗分析法獲得最優(yōu)的參數(shù)組合。使用優(yōu)化后的鉆削加工參數(shù)進行不銹鋼的微小孔加工，優(yōu)化了加工的穩(wěn)定性。任國柱等[1]針對精密微孔加工難度大、質(zhì)量難保證的特點，構(gòu)建了微孔加工質(zhì)量控制模型。分別從操作人員、機床、生產(chǎn)物料、加工環(huán)境、品質(zhì)測量等方面入手，對如何保證精密微孔的加工質(zhì)量進行分析。但是，以上兩種方法忽略了對鉆削刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)，只考慮了加工參數(shù)，且無法計算出模具鋼凸曲面不同位置上超細微孔的鉆削力，導致研究存在不全面，應用性不強的問題，因此有必要進一步優(yōu)化模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)，以深入提高模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削質(zhì)量。

1 凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)優(yōu)化設計

1.1 凸曲面結(jié)構(gòu)建模

模具鋼凸曲面是超細微孔鉆削加工的工作臺，凸曲面的曲率和走向直接影響超細微孔的鉆削參數(shù)，因此有必要構(gòu)建模具鋼凸曲面結(jié)構(gòu)模型。模具鋼凸曲面的判定方程為：

(1)

式中，R2為凸曲面在模具鋼坐標系環(huán)境中的矢量；L2為模具鋼坐標系到世界坐標系之間的平移變化矢量；Mc2和θ2分別為旋轉(zhuǎn)變化矩陣和旋轉(zhuǎn)角度；n和V21對應的是模具鋼平面和凸曲面接觸面處的單位公法線矢量和相對速度矢量[2]。以待加工的模具鋼凸曲面為基礎，求解各個參數(shù)值得出凸曲面結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建結(jié)果。

1.2 鉆削刀具選擇

根據(jù)機械模具對超細微孔的尺寸要求，選擇并制備合適的鉆削刀具。超細微孔鉆削刀具的鉆頭結(jié)構(gòu)與標準麻花鉆的結(jié)構(gòu)基本一致，由工作部分、柄部和頸部組成，如圖1所示。

圖1 機械模具超細微孔鉆削刀具結(jié)構(gòu)圖

在此基礎上分別從材料和結(jié)構(gòu)兩個方面進行優(yōu)化，其中材料的優(yōu)化方向是提高鉆削刀具的剛度和硬度，保證刀具能夠完成鉆削任務，且在加工過程中不會出現(xiàn)變形情況。選擇超細晶粒硬質(zhì)合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高速鋼材料，超細硬質(zhì)合金指的是晶粒尺寸為0.3～0.5 μm的硬質(zhì)合金，超細晶粒硬質(zhì)合金材料具有較高的硬度、強度和剛度，以及良好的耐磨性及韌性等。超細微孔鉆削刀具角度螺旋角的計算公式如下：

(2)

式中，D為螺旋槽的導程；r為鉆頭半徑。另外橫刃斜角和橫刃后角之間的關(guān)系可以表示為：

ctanα=sinφtan?0

(3)

式中，φ和?0分別為橫刃斜角和初始半鋒角；α為橫刃后角。此外，鉆削刀具的鉆頭直徑為1 mm。

將優(yōu)化的鉆削刀具安裝到鉆削工作臺上，同時安裝超聲波發(fā)生器、變壓器等設備作為驅(qū)動設備。在工作狀態(tài)下，超聲波發(fā)生器作為數(shù)控臺鉆的附加裝置，通過夾具和連接板實現(xiàn)與數(shù)控臺鉆主軸的固定鏈接[3]。在機床啟動后，超聲發(fā)電機將交流電轉(zhuǎn)化為高頻電振蕩，然后通過傳導滑環(huán)傳輸至傳感器，使其從高頻電振蕩到高頻軸向機械振動。但這種振幅一般為4～5 μm，要實現(xiàn)振動鉆機的加工，必須使其振幅在10～100 μm以上。這樣，傳感器的端部就必須與變幅桿緊密相連，從而放大傳感器所獲得的幅度。通過對鉆頭的振動進行分析，得到了一定程度的振動，從而達到了鉆頭振動的目的。

1.3 超細微孔鉆削力

在鉆削時，鉆頭的受力是比較復雜的，但是，由于鉆削刀具是左右對稱的，所以可以把鉆頭的徑向作用力看作是互相抵消的，這樣，鉆頭受到的鉆削力就是由只有由刀具進給所產(chǎn)生的軸向力和由鉆削力產(chǎn)生的扭矩[4]。模具鋼凸曲面超細微孔鉆頭的受力情況如圖2所示。

圖2 模具鋼凸曲面超細微孔鉆頭受力示意圖

從圖2中可以看出，在鉆削力的計算過程中將鉆頭的主切削刃和橫刃分別離散成5個斜角切削單元和2個直角切削單元，其中Fx、Fy、Fz、FC、FV和FT分別表示鉆削刀具所受的切向力、徑向力、軸向力、主切削力、豎直方向力和側(cè)向力。圖2中變量dz表示各個鉆削單元中心到鉆頭中心的距離，h和vz對應的是鉆芯的厚度和鉆頭的工作轉(zhuǎn)速[5]。在實際鉆削過程中存在如下關(guān)系式：

(4)

式中，α和β的具體取值可通過式(2)和式(3)直接得出。鉆削力與鉆頭材料、加工材料和每次旋轉(zhuǎn)的進給量有關(guān)，鉆頭的軸向力及扭矩的計算結(jié)果可以表示為：

(5)

式中，KF和KM分別為鉆削刀具和加工工件的材料系數(shù)；D0為鉆頭直徑；xr為鉆頭給進量；角標zF、yF、zM和yM為鉆頭的響應系數(shù)；γF和γM分別為鉆孔條件變化后的修正系數(shù)[6]。同理可以得出模具鋼凸曲面超細微孔鉆削過程中其他應力的量化求解結(jié)果，進而得出超細微孔的受力分析結(jié)果。

1.4 鉆削路徑

在模具鋼凸曲面上，由于模具鋼存在高度變化，因此初始鉆削刀具的安裝位置需高于凸曲面的最高點，并通過鉆削路徑的規(guī)劃，保證鉆削刀具能夠作用在凸曲面的超細微孔位置上[7]。圖3表示模具鋼凸曲面鉆削路徑的規(guī)劃流程。

圖3 模具鋼凸曲面鉆削路徑規(guī)劃流程圖

為了避免局部過切干涉問題，在鉆削路徑規(guī)劃之前需要設置約束條件為：

(6)

式中，變量λmax為模具鋼凸曲面的最大法曲率，通過式(6)的約束保證鉆削刀具半徑始終低于模具鋼凸曲面的最小曲率半徑[8]。假設每次鉆削刀具的初始位置均為工作臺的原點，那么任意時刻鉆削刀具的刀位點可以表示為：

qc0=qp+rw

(7)

式中，qc0和qp分別為鉆削刀具刀位點矢量和刀觸點數(shù)量。其中，qp的具體取值由超細微孔的設置位置決定；w為刀觸點p位置上的單位法向矢量。將超細微孔的位置數(shù)據(jù)代入到式(7)中，即可確定鉆削刀具的加工位置，以此作為鉆削刀具單次移動的目標位置。在此基礎上，在考慮需要考慮模具鋼凸曲面產(chǎn)生的內(nèi)外允差的情況下計算走刀步長，對于凸區(qū)域，當存在內(nèi)允差時則采用弦線法進行刀觸點數(shù)據(jù)的計算，否則選用切線法，走刀步長計算結(jié)果可以表示為：

(8)

式中，δb為凸曲面沿走刀軌跡方向的法曲率；rδ為曲率半徑；e對應的是逼近誤差值，最終的計算結(jié)果Ltangent和Lstring分別對應的是切線法和弦線法得出的走刀步長計算結(jié)果。定義初始刀觸點位置為P(t)，則下一個鉆削刀具觸點位置可以表示為：

P(t+1)=P(t)+L·t

(9)

式中，t為時間，聯(lián)立式(8)和式(9)便可得出下一個鉆削刀具觸點的具體位置，同理能夠得出超細微孔鉆削加工過程中所有位置求解結(jié)果。

1.5 鉆削參數(shù)的優(yōu)化

除了鉆削力和鉆削刀具移動位置外，模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削加工效果還會受到溫度和速度的影響，因此需要對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設置[9]。從溫度方面來看，在模具鋼凸曲面超細微孔鉆削過程中，由于切削區(qū)的擠壓、摩擦等作用，使工件表面產(chǎn)生了局部的熱膨脹。在基體材料的限制下，壓應力將不斷增大直至超過工件的屈服極限。在鉆削加工后，由于里層基體對表面材料的限制，使得里層基體處于受壓應力的狀態(tài)，而里層基體材料的冷縮減少，表面的冷縮增多[10]。溫差與表面拉伸強度之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此在鉆削加工過程中盡量保證鉆削溫度與室溫相同，最大鉆削溫度參數(shù)為35 ℃。鉆削速度參數(shù)的設置情況為：

(10)

式中，ω為鉆削角速度；vt為鉆頭進給速度。由此完成超細微孔鉆削加工參數(shù)的優(yōu)化。

1.6 鉆削加工的實現(xiàn)

在加工環(huán)境中安裝優(yōu)化的鉆削刀具，將設置的鉆削參數(shù)、鉆削力以及軌跡生成結(jié)果輸入到模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削加工環(huán)境中，并在工作臺內(nèi)置控制器的約束下執(zhí)行鉆削加工工藝[11]。在鉆削加工工藝中，毛刺是影響鉆孔質(zhì)量的重要因素之一。由于毛刺的存在，導致鉆孔的精確度下降，從而影響到精密鉆孔工具的使用壽命。為此除了通過控制鉆削加工參數(shù)外，每完成一次鉆削操作都應該執(zhí)行一次打磨操作，最大程度的保證模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削加工質(zhì)量。

2 試實驗分析

鉆削加工質(zhì)量測試實驗的主要目的是用鉆削刀具對模具鋼進行鉆削加工，通過對孔擴量、毛剌大小、鉆削刀具磨損以及孔心偏移量等質(zhì)量指標的測試，驗證優(yōu)化模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)的加工質(zhì)量，并通過與優(yōu)化前加工技術(shù)的對比，驗證鉆削加工技術(shù)是否達到優(yōu)化效果。

2.1 搭建模具鋼凸曲面超細微孔鉆削平臺

采用DMU80 mono BLOCK加工中心作為模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削平臺，如圖4所示。

圖4 模具鋼凸曲面超細微孔鉆削平臺

采用 NakanishiHES-510型空氣主軸，使微鉆轉(zhuǎn)速加快，轉(zhuǎn)速可達60 000轉(zhuǎn)/min，定位精度小于1 μm，徑向跳躍小于5 μm，能實現(xiàn)高精度Z方向的高速旋轉(zhuǎn)。兩個固定底板、虎鉗夾緊、襯墊構(gòu)成了鉆機工作臺的夾緊裝置，固定底板用于安裝測力儀和虎鉗夾具；該虎鉗是用來固定襯墊和工件，并利用加減法調(diào)節(jié)工件的高度。在此基礎上將優(yōu)化設計的鉆削刀具安裝在加工平臺中，通過調(diào)試保證實驗平臺能夠驅(qū)動鉆削刀具按既定程序加工。由于微細鉆頭容易斷裂，加工效果對工藝參數(shù)的選取十分敏感，因此為了確保取得較好的效果，必須進行多次試鉆。

2.2 鉆削加工試件與加工任務的準確

選擇模具鋼作為原材料，將其制成長120 mm、寬80 mm、厚6 mm的初始樣件，在此基礎上采用感應加熱表面淬火工藝對試件進行不同程度的熱處理加工，使得模具鋼表面產(chǎn)生凸曲面，將具有凸曲面的模具鋼作為鉆削加工試件。針對不同的試件分別設置不同的鉆削任務，部分任務設置情況如表1所示。

表1 部分鉆削加工任務設置表

實驗準備的試件數(shù)量共80個，每個試件對應一個鉆削加工任務。

2.3 描述鉆削加工與質(zhì)量測試過程

根據(jù)鉆削加工試件與加工任務的設置情況，設置鉆削力、鉆削速度等參數(shù)，將其導入到搭建的鉆削平臺中。將鉆削加工試件以及刀具安裝到指定位置上，同時啟動鉆削技術(shù)和平臺電源，完成模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削加工操作。圖5為1號試件鉆削加工參數(shù)設置和實時鉆削數(shù)據(jù)波動情況。

圖5 模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工操作界面

按照上述操作可以得出實驗準備所有試件的鉆削加工操作結(jié)果。為了體現(xiàn)出優(yōu)化加工技術(shù)的優(yōu)勢，實驗設置優(yōu)化前的鉆削加工技術(shù)作為實驗的對比技術(shù)，并保證兩種技術(shù)的處理試件和鉆削參數(shù)均相同。

2.4 設置鉆削加工質(zhì)量測試指標

實驗設置孔擴量、孔心偏移量、毛刺面積以及刀具磨損量作為模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工質(zhì)量測試指標，其中孔擴量的大小可根據(jù)鉆孔的實際加工孔徑和鉆頭的標稱直徑之差，也就是通過對鉆孔孔徑的測量，該指標的數(shù)值結(jié)果為：

(11)

式中，Dmachining-j和Dset-j分別為第j個超細微孔的鉆削加工直徑和預設直徑；m為設置的超細微孔加工數(shù)量?？仔钠屏糠从沉顺毼⒖最A期鉆削位置與實際加工位置之間的偏差，其數(shù)值結(jié)果如下：

εhole=|xmachining-xset|+|ymachining-yset|

(12)

式中，(xmachining,ymachining)和(xset,yset)對應的是預設超細微孔位置和實際加工位置。另外毛刺面積以及刀具磨損量的計算公式如下：

(13)

式中，ns為模具鋼凸曲面超細微孔周圍的毛刺數(shù)量；hs和ls分別為毛刺的高度和長度；labrasion和habrasion分別為刀具磨損位置的長度和寬度。計算得出孔擴量、孔心偏移量、毛刺面積以及刀具磨損量的值越低，證明對應模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)的加工質(zhì)量越好。

2.5 鉆削加工質(zhì)量測試結(jié)果分析

通過模具鋼凸曲面超細微孔的鉆削加工以及測量，得出孔擴量指標的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 模具鋼凸曲面超細微孔的孔擴量測試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(11)中，得出模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)優(yōu)化前后得出超細微孔的孔擴量分別為0.01 mm和0.002 8 mm。通過式(12)的計算，得出優(yōu)化前后鉆削加工孔心偏移量的測試對比結(jié)果，如圖6所示。

圖6 模具鋼凸曲面超細微孔孔心偏移量對比結(jié)果

從圖6中可以直觀的看出，與對比鉆削加工技術(shù)相比，優(yōu)化后的模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)的孔心偏移量更小。利用顯微鏡設備觀察模具鋼凸曲面超細微孔和鉆削刀具的表面形態(tài)，并測量毛刺以及磨損量數(shù)據(jù)，得出毛刺面積和刀具磨損量指標的測試結(jié)果。圖7為出口毛刺和刀具模型情況的觀測結(jié)果。

(a) 出口毛刺形貌

(b) 鉆削刀具磨損圖7 模具鋼凸曲面超細微孔鉆削質(zhì)量測試對比結(jié)果

從圖7中可以看出，優(yōu)化設計后鉆削加工得出的超細微孔的毛刺數(shù)量更少、毛刺高度更低、磨損面積明顯降低。通過式(13)的計算，得出量化測試結(jié)果如表3所示。

表3 超細微孔鉆削毛刺面積與刀具磨損量測試數(shù)據(jù)表 (mm2)

通過計算表3的平均值可知，優(yōu)化前后模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)得出加工結(jié)果的平均毛刺面積分別為0.305 mm2和0.099 mm2，鉆削刀具的平均磨損量分別為0.260 mm2和0.165 mm2。綜上所述，與文獻[1]提出的優(yōu)化前鉆削加工技術(shù)相比，應用優(yōu)化后的模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)得出的超細微孔質(zhì)量更高，達到預期優(yōu)化標準。

3 結(jié)束語

本研究提出了一種模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工優(yōu)化技術(shù)。從材料和結(jié)構(gòu)兩個方面優(yōu)化鉆削刀具，并規(guī)劃了模具鋼凸曲面鉆削路徑，優(yōu)化溫度、速度等鉆削參數(shù)，最終實現(xiàn)模具鋼凸曲面超細微孔鉆削加工技術(shù)的優(yōu)化，該技術(shù)有效提高了模具鋼凸曲面超細微孔加工質(zhì)量，對模具鋼的使用以及機械設備的加工工作均具有較高的實用價值。