基（jī）於轉（zhuǎn）盤鏜孔仿真的正交實驗參數研究（jiū）
2017-4-26 來源：鶴壁汽車工程職業（yè）學院（yuàn） 作者：趙帥,畢雅萱
摘要:文章利用 DEFORM-3D 有限元軟件建立了轉盤（pán）鏜孔（kǒng）的三維仿真模型,根據轉盤零（líng）件在不同切削參數條件下模（mó）擬出不同的切削（xuē）力、形變量的數值,並通過設立正（zhèng）交（jiāo）實驗得到（dào）最優化的切削工藝參數:切削速度 v = 120 m / min,進給量 vf = 0. 02 mm / r,切（qiē）削（xuē）深度 vp = 0. 03 mm。 最後,經三坐標測量機測得試驗零件各孔誤差均在合理範圍內（nèi）,該方法為以後零件在選擇切削參數方麵起到了一定（dìng）的借鑒作用。
關鍵詞:DEFORM-3D;切削參數;正交實（shí）驗
0.引言
目前,我國製筆行業產銷量在世界範圍內遙遙領先,產品出口遍及全球,但我國用於中高端製筆設備卻依賴瑞士和德國的進口。 據統計（jì）,國內現已累計進口原裝瑞士米克朗 24 工位筆頭機 250 餘台;同時,訂購後需 14 個月才能提貨,使（shǐ）我國筆類產品的生產嚴重（chóng）受製於國外發達（dá）公司。
在筆頭製造技術方麵,高精（jīng）度的圓柱筆頭廣泛采用多工位機床來加工,加工精度要求達（dá）到 ± 0． 5 μm。我國從上世紀九十年代就（jiù）開始引進瑞士的 24 工位筆頭加工機床（chuáng）,由上海七〇四研究（jiū）所立項研製,由於國外技術（shù）封鎖,缺少相關資料,雖已出樣（yàng）機（jī）,但其加工效果待進一步提高。 2001 年,以豐華股份公司為首、輕工機械研究所、七〇八研究所共同立項再次研發類似的設備,由於機床上（shàng）關鍵部件加工未達（dá）到要求,總體裝配後加工精度不理想,不能大批量工業化推廣。 因此,研發高精度多工位筆頭加工機床對我國製筆行業和製造裝備業具有重要意義。
1.結（jié）構特點分析
高精度多工位筆頭加工機床的核（hé）心部件包括轉動圓盤、上下動（dòng）力頭（tóu）座,俗稱“三明治” 機構。 如（rú）圖 1 所示,轉動圓盤是機床的分度回轉工作台,台麵上安裝有夾具和工件（jiàn）;上下動（dòng）力頭座分別位於轉動圓盤的（de）上下兩（liǎng）側,起到支撐動力頭的（de）作用。 如圖 2 所示,轉盤零件屬於精密多（duō）孔類結構件,台麵上孔的加工量占整個零件加工量（liàng）的（de）一半以上,外沿孔（kǒng）徑的尺（chǐ）寸精度要求在 ± 5μm,圓度精度（dù）要求在（zài） 8μm。 因（yīn）此,轉盤孔的（de）加工質量要（yào）求格外嚴格,其製造精度的好（hǎo）壞直接影響到整機的性能（néng）,現以轉盤鏜孔加工為例進（jìn）行研（yán）究（jiū）。
圖 1 “三明治”機構圖
圖 2 轉盤零件結構圖
Deform-3D 是一套基於工（gōng）藝模擬係統的有限元係統,專門設（shè）計用於分析各種金屬成（chéng）形過程中的三維流動,在（zài）一個集成環境內綜合建模（mó）、成形、熱傳（chuán）導和成形設（shè）備特性進行模擬仿真分析。 與傳統的試錯法相比,利用軟件仿真可使過程分析形象化和可視化,費用低、耗時短,節省（shěng）人（rén）力物力,在考慮多（duō）因素時其優（yōu）勢尤為顯著。因此,本文利用 Deform-3D 有限元（yuán）軟件對轉盤孔的切削過程進行仿真模擬,根據不同切削參數條件,模擬出不同的（de）切削力、形變（biàn）量數（shù）值,並將這些數值通（tōng）過正交實驗（yàn）得出最優化切削參數組（zǔ）合。
2.建立 Deform-3D 仿真平台
2. 1 建立有限元模型（xíng）
由於 Deform-3D 分析軟件不具備三（sān）維造型功能,所以本文選擇在 Solidworks 軟件中建立模型。 在 Solidworks 中建立的鏜刀裝配模型,如圖 3 所示,其（qí）中鏜刀前（qián）角 γ0 =8°,後角（jiǎo） α0 =10°,刀尖圓弧半徑 rε =0． 2mm。 模型文檔另存為 STL 文件格式,並在選項中選擇“在單一文件”保存裝配體的所有零件。 進入 Deform-3D 軟件中 Machining 模塊後,導（dǎo）入預先構造的刀具模型,刀具材料選擇硬質（zhì）合金WC。 設定工件尺寸,材料選用 QT700-2。
圖 3 鏜刀幾何模型
2. 2 模型的網格劃分
劃分網格時首先要考慮網格數量,數量越多劃分的越細密,分析精度越（yuè）高,但計算規模也將成倍增加。具體到鏜孔加工過程中,刀具切削部分應該實（shí）現網格（gé）細分,其（qí）他部分網格應該加粗,這樣既保證了局部變形的求解精度,又節省（shěng）了求解時間和內存消耗。 在本實驗中,刀具網（wǎng）格類型為相對網格類型,其單元總數為15000 個,Size Radio 為 4,工件網格類型（xíng）為絕對網格類型,網（wǎng）格（gé）最小尺寸為 0． 01mm,其（qí）單元總數為（wéi） 26357 個。
圖 4 三（sān）維（wéi）模型的網絡劃分（fèn）
2. 3 模擬（nǐ）參數設置
模擬（nǐ）過（guò）程中（zhōng）,模擬計算步長的確定（dìng）是十分重要的。對於幾（jǐ）何形狀簡單,邊角無流變（biàn）或其它局部（bù）嚴重變形的問題,步長可選用模型中（zhōng）較小單元邊長的三（sān）分（fèn）之一。 本實驗設置（zhì）仿真總步數為 5000,步（bù）數（shù）增量設為 25,切削終止（zhǐ）角度65°。 刀具磨損模（mó）型選用適合於金屬切削的（de） Usui’s 模型,係數（shù） a 為 0． 0000001,b 為 855。 最後檢查仿真（zhēn）的各項參數設置（zhì）是否正確,生成數（shù）據庫,開始運行仿真。
3.鏜孔切削（xuē）的正交實驗仿（fǎng）真
正交實驗是研究多因素、多水平實驗的主要方法,它是根據正（zhèng）交性原則從所有實驗點中挑選部分有代表（biǎo）性的點進行實驗,從中尋找出一組最佳（jiā）的（de）水（shuǐ）平組合。3. 1 實驗方案設計
表 1 因（yīn）素水平表（biǎo）
3. 2 實驗結果與分析
切削參數因素水（shuǐ）平表設計完成之後,基於已（yǐ）有刀具和工（gōng）件有限元模型進行表 2 中的切削正（zhèng）交試驗,實（shí）驗評價指標為切削力和轉盤形變量,並按照各（gè）組實驗順（shùn）序記錄實驗結（jié）果,對結果進行整（zhěng）理（lǐ）計（jì）算。在正交實驗表 2 中,各個參數下評價指標的均值如表 3、表 4 所示。 其中,K1 代表“水平 1” 的指標均值;K2 代表“水平 2”的指標均值;K3 代表（biǎo）“水平 3”的（de）指標均值;極差 R 代（dài）表（biǎo）不同水平時各因素評價指標均值的極（jí）差,其大小代表了該因素的水平變化時評價指（zhǐ）標的變化幅度。 極差（chà）越大說明（míng）該（gāi）因素的水平變化對評價指標的影響越大（dà）,因素則據主要地位;反之則說明（míng）因素居次（cì）要（yào）地（dì）位（wèi）。
表 2 轉盤鏜孔切削正交（jiāo）試驗
表 3 基於（yú）主切削力 FZ 的評（píng）價指標（biāo）和（hé）極差分析
表 4 基於轉盤形變量的評價指標和極差分析
由表 3 中各因素的極差可以（yǐ）看到,基於主切削力FZ 的極差由大到小的排列為:C、A、B;即,對（duì）評價指標影響程度由（yóu）大到（dào）小的因素分別為:切削深度、切削速度、進給（gěi）量。 基於主切削力 FZ 最小作為優化（huà）目的,正交試驗方案的較優組合為 A3B2C1,即切削速度 v = 120mm / min,進給量 vf = 0． 04mm / r,切削深度 vp = 0． 03mm。由表 4 中各因素的極差（chà）可以看到,基於轉盤形（xíng）變量的極差由大到（dào）小的排列（liè）為（wéi）:A、B、C;即（jí）,對評價指標影響程度由大到小的（de）因素分別為:切削速度（dù）、進給量、切削深度。 基於轉盤形變（biàn）量最小作為優化目的,正交試驗方案的（de）較優組合為 A3B1C3,即切削速度 v = 120mm / min,進給量 vf = 0． 04mm / r,切削深度（dù） vp = 0． 03mm。
在精密鏜孔切削時,工件（jiàn）受切削力影響會產生很強（qiáng）的塑性變形應力場和溫度場,從而導致工件發生形變。因此,以切削力和形變量作為（wéi）評價指標來衡量切削參數優劣時,切削力比形變量更具有參考價值。 因此,綜合從切削力和形變量兩（liǎng）方麵考慮,並結合實際生產經驗,正交（jiāo）試驗的最優組（zǔ）合為 A3B1C1,即切削速度v = 120m /min,進給量（liàng） vf = 0． 02mm / r,切削深度 vp = 0． 03mm。
4.試驗驗（yàn）證
圖 5 轉盤實物圖
員、測量機、主客觀(溫度、接觸力)等偶（ǒu）然因素直接影響了測量（liàng）結果,因此應排除（chú）這兩個孔的誤差。
5.總結
本文基於 Deform-3D 建（jiàn）立了鏜孔過（guò）程中的三維有限元模（mó）型,根據不同切削參數模擬獲得了一係列的切削力、應變數值（zhí）,並利用正交實驗得出了最優（yōu）切削參數組合（hé）,最後對轉盤零件進行實際加工,結果也進一步驗證了切削參數的合理性。 與傳統加工方法相（xiàng）比,這種方法節省了工藝試驗材料和費（fèi）用,縮短了產品開發周期,為今後類似精密零件的切削加工提供（gòng）了（le）一定（dìng）的借鑒。
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