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基於 Deform-3D 的共軌（guǐ）噴油器體深孔鑽削（xuē）溫度場仿真

2018-5-2 來源：轉載作者：商（shāng）解波, 武（wǔ）美萍，杭勇,王連順

摘要: 因為槍鑽加工中無法實時監測加工刀具的狀態和加工工件的質量，所以用三維軟件UG構（gòu）建槍（qiāng）鑽的立體模型，采用 Deform-3D 有限元分（fèn）析軟件（jiàn）對高壓共軌噴油器體（tǐ）深孔鑽削過程進行仿真計算，獲取切削（xuē）溫度場的分布（bù）數據。通過鑽削加（jiā）工仿真實驗，研究了不同鑽（zuàn）削參數對切削（xuē）溫度的影響規律。仿真結果表明，隨著鑽入深度的增加，槍鑽鑽頭的（de）溫度也迅速增大，並且最後逐漸穩定; 進給量、切削速度都與切削溫度成正比。

關鍵詞: 噴油器體; Deform-3D; 槍鑽加工; 切削溫度

機械係統中零部件的（de）加工製造是高壓（yā）共軌（guǐ）係統中最（zuì）重要的部分，而高壓共軌噴油（yóu）器是機械係（xì）統中（zhōng）的關鍵零部件，由於其器體結構與工作環境較為複雜，需要（yào）在高溫高壓高頻率下進行工作，所以采用成熟的加工工藝來確保噴油器工（gōng）作質量的穩定可靠是有必要的。共軌噴油器的進油孔達不（bú）到加工要求的（de）標準，將會因為進油孔偏移量較（jiào）多、加（jiā）工質量低等因素使得共軌噴油器（qì）進油慢、進出油（yóu）不暢，這將嚴重降低高壓共軌係統的使用壽命和工作（zuò）穩定（dìng）性。而（ér）器體進油孔（kǒng）的加工是整個高壓共軌（guǐ）噴油器體加工過程中的難點和重（chóng）點。由於噴油器體進油孔加（jiā）工是處於加工（gōng）環境封（fēng）閉或半封閉的情（qíng）況（kuàng）下的深孔加工，無法用眼睛觀察加（jiā）工過程中進油孔的表麵（miàn）加工質量和槍鑽鑽頭的狀態，並且（qiě）目前尚未有（yǒu）合理的途徑能實時監（jiān）控深孔加工區域的加工（gōng）狀態和溫度分布.

金屬的鑽削過程中伴隨（suí）著（zhe）切削熱與切（qiē）削溫度的產生，鑽削時做的功轉（zhuǎn）變為熱，極少的一部分通過周（zhōu）圍介質逸出，絕大部分切削熱會傳入到切屑、刀具和工件中。切削熱引起加工區（qū）域溫度升高，使工件受熱變形並且會加劇刀（dāo）具磨（mó）損。尤其在工件加工質量要求較高時（shí），切削熱對工件表麵質（zhì）量和加工精度的影響不容忽視。而車削加工中利用提高切削速度來加快切削熱的散出的方法是無法（fǎ）在深孔加工中適用的，這將會使得刀具急速磨損並且無法排屑。由於無法在（zài）半封閉的狀態下將（jiāng）傳感器安裝在切削刃周圍，所以鑽削區域的切削溫度很難直接測得。而國外的紅外線傳感（gǎn）技術隻（zhī）能測量鑽削區域的平均切削溫度，很難將鑽削溫度場（chǎng）分布情況深入研究（jiū）下去。

隨（suí）著計算機技術在各個（gè）領域的發展與應用（yòng），現在可以利用有限元相關軟（ruǎn）件對深孔鑽削（xuē）過程溫度場進行模擬分析，節（jiē）省了大量的人（rén）力（lì）物力。本文（wén）采用有限元仿真軟件 Deform-3D 對噴油器體深孔加工過程（chéng）進行仿真實驗，以獲取（qǔ）精確的切削溫度場（chǎng）分布情況。通過仿真試驗分析切（qiē）削參數對切削溫度場的影響規律。

1、深孔鑽削（xuē）溫度場（chǎng）仿真

1．1 仿真模型的建立與簡化

因為（wéi） Deform 的（de）建模功能不強，所以本文利用三維軟件 UG( Unigraphics NX)建立槍鑽鑽頭模型，為了更易觀察鑽頭部位的（de）鑽削力與切削溫度，提高仿真（zhēn）的準確性，降低運算成本，本文建立槍鑽的鑽頭的三維（wéi）仿真模型，並簡化了刀具的某些實體結構，省掉了一些（xiē）工藝尺寸，如圖（tú）1所示。

圖1 簡（jiǎn）化的槍鑽三維模型

所建立刀具的幾何參數如表1 所示。因（yīn）為隻是簡化了（le）很細（xì）微的部（bù）分（fèn），所以不會對槍鑽深孔加工的仿真結果產（chǎn）生巨大（dà）的影響。

表1 槍鑽的幾何結（jié）構參數

本（běn）文的仿真工件為高壓（yā）共軌柴油機噴油（yóu）器，如圖 2 所示，由於噴油器體結構複雜，不（bú）對工件模型進行相應（yīng）簡化的話，將會浪費巨大的硬件資源來（lái）對其進（jìn）行建模仿真。所以本文將（jiāng）噴油器體簡化為（wéi）半徑（jìng） 10 mm，高度 20 mm 的（de）圓柱體，如圖 3 所示，並設定合（hé）理的邊界條件使其模擬出噴油器體（tǐ）的加（jiā）工狀態（tài）。

圖2 高壓共軌柴油機噴油器

圖3 簡化的噴油器體有限元分析模型

1．2 鑽削條件及仿真參數的確立

在本文中，使用槍鑽來作為深孔鑽削中的（de）加工（gōng）刀具，規格是Φ2．045 ×110mm，被加工件噴油器體的材料是20CrMo，工件材料（liào）物理參（cān）數如表2所示。被加工孔是噴油器體的進回油孔（kǒng），孔徑為 Φ2． 05 mm，加工精（jīng）度上極限為+0.03mm,下極限為－0．02 mm，深度為 58 mm。

表2 工件材料物理參數

本文主要有切削速度，進給量，鑽削深度（dù）三個鑽削參數，由於噴油器體進油孔尺（chǐ）寸已定，所以切（qiē）削深（shēn）度定為58mm，轉速n=1100～1400 r/min，進給量 f=0．06 ～0．15 mm/r。對切削速度和進給量分別選取4組加工數據，一共設計 16組仿真實驗，仿真數據如表（biǎo）3所示。

表3 仿真（zhēn）實驗數據（jù）正交表

1．3 仿真前處理及（jí）邊界（jiè）條件設置

預處理作為仿（fǎng）真前必不可少（shǎo）的準備工作，主要分為確立仿真參數，劃分刀具及工（gōng）件網格和設定邊界條件三個步驟。

(1) 仿真參數

單（dān）位係統選擇 SI( le Système international d'unités) 單位製，類型選擇 Machining-Transient，加工形式選擇鑽孔（kǒng），切削速度（dù） 1100 ～ 1400 r/min，進給量 0．06 ～ 0．15 mm/r，環境溫度設為 20℃ ，摩（mó）擦（cā）因子 0．6，熱傳導係數 110 W/( M·K) 。

(2) 刀具及工件（jiàn）網格劃分

選擇從檔案讀取刀（dāo）具形狀，導（dǎo）入格式為“STL”的（de）刀具模型（xíng），並在 Deform-3D 中建立工件模型，因為使用相對網（wǎng）格化分方式要指定固（gù）定單元的數目，無論物體形狀多麽複（fù）雜，單元的數量是恒定的，所以使用相對尺寸劃分刀具初始網格數為（wéi） 20 000 個; 而使用絕對網格（gé）劃分方（fāng）式要指（zhǐ）定（dìng）最小單元尺（chǐ）寸，隨著物（wù）體（tǐ）的複雜（zá），單元數也隨（suí）之增加，所以使用絕對網格尺寸劃分工件（jiàn），取進給量的 1/3即,0.03mm。

本文的加工（gōng）仿真中，槍（qiāng）鑽鑽頭與（yǔ）工件的（de）接觸部分是切削溫度的主要分布區域，為了使仿真結果更加精確，需要對鑽頭刀刃部分（fèn）以及工件主（zhǔ）要加工區域的網格進行重劃（huá）分，為了最大限度地減少幾何失真，保證預（yù）設切（qiē）削參數的準確性（xìng），設置應變權重因子（zǐ）為 0．65，因變率權重因（yīn）子為 0．35。刀具和工（gōng）件網格劃分（fèn）效果圖如圖4 和圖 5所示。

(3) 邊界條（tiáo）件的設定

選擇刀具為剛性類型，工件為塑性類型，設置模擬步數數量為3000，每隔（gé） 25 步一保（bǎo）存，同時設（shè）置鑽削深度為 10 mm作為停止條件，當總步數達到 3000 步或者（zhě）鑽削深度達到10mm，仿真就會結（jié）束。

圖4 刀具的網格劃分

圖5 工件的（de）網格劃分（fèn）

圖6 槍鑽加工仿真模型

為了防止工件在仿真過程中移動，設置工件的外圓周（zhōu）麵 X，Y，Z 三個方（fāng）向上的速度為零，即限製工件（jiàn）表麵所有的自由度，將環境溫度設置為20℃ ，刀具和工件所有表麵與外界做熱交換（huàn），刀具進給方向為－Z 軸，並繞Z軸做旋轉運動。選用（yòng）Usui's 模型作為刀具磨損模型（xíng），其中 a、b 是模型中的實驗校正因子，根據以往經驗，係數 a 設為 0．0000001，b 為855，最後檢驗（yàn）參數設置，生成DB 文件並進行仿真，槍鑽加（jiā）工仿（fǎng）真模（mó）型如圖6所示.

2 、仿真結果（guǒ）處（chù）理及分析

回到 Deform-3D 主窗（chuāng）口（kǒu）選擇 DB 文件，點擊runnning 進行仿（fǎng）真計算（suàn），圖7為Deform-3D 仿真過程。

圖7 仿真過程

仿真結束後，切削溫度分布情況（kuàng）可以通過（guò） De-form-3D 的（de）後處理器模塊查看，不同的參數條件對應著不同的仿真結果。一般刀具切削過程（chéng）中（zhōng）切屑會帶走 80% 的切削熱，但是深孔鑽削隻會帶走 40%，其他切削熱基本傳到工件（jiàn）本身和槍鑽上。因為切屑在第一變形區開始形成時，切屑在沒有冷卻的情況下（xià）帶著巨（jù）大的切削熱以很大的速度繼續（xù）與刀具前刀麵產生相對（duì）運動，使切屑（xiè）溫度繼續升高，所以最高溫度出現在切屑與刀具的接（jiē）觸麵上（shàng），刀具的最高溫在（zài）鑽頭的刀刃上。

2．1 正交實驗仿真結果處理及分析

本次噴油器體深孔加工仿真實驗選取切削速度、進給量和切削深度 3 個（gè）工藝參數作為試驗因素，每個因素的變化選取 3 個水平（píng）值。通過正交試驗（yàn），可以有（yǒu）效地減少實驗次數，降低實驗成本，從而確定最適（shì）加工條件，提高噴油器體深孔（kǒng）加工加工效率（lǜ）和改（gǎi）善加工質量.

本實驗切削（xuē）溫度隨進給量和切削速度變（biàn）化曲線如圖（tú）8所示，隨著切（qiē）削速度和進給量的（de）逐漸增大（dà），噴油器體槍鑽加（jiā）工過程中的最高溫度也逐漸升高（gāo）。由此可知，槍鑽加工過程中進給量和切（qiē）削速度都與切削溫度成正相關關係。根據仿真結果可以看出，當n=1200 r/min，f = 0．12 mm/r 時，切削溫度上升幅度最（zuì）小（xiǎo），所以（yǐ）這是最適量的加工條件。

圖 8 切削溫度變化曲（qǔ）線圖

2．2 單一變量因素仿真（zhēn）實驗結果（guǒ）處理及分析

2．2．1 切削速度對切削溫度的影響

保（bǎo）持進給量 0． 09 mm/r，鑽削深度 58 mm 不變，選取切削速度分（fèn）別為 1100 r/min、1200 r/min、1300 r/min 進行鑽削仿真。在後處理器裏提取鑽頭最高切削溫度數據，得到每個切削速度對應的鑽頭最（zuì）高切（qiē）削溫（wēn）度變化曲線如圖 9 所示。

圖9 切削速度對（duì）切削溫度變化曲線圖

由曲線圖可知，當進（jìn）給量一定時，深孔加工過程中的最高溫度隨著切削速度的增大而增大，最後趨於平（píng）穩。所以切削速度與切削溫（wēn）度成正比。

2．2．2 進給（gěi）量對切（qiē）削溫度的影響

保持切削速度 1 200 r/min，鑽削深度 58 mm 不變（biàn），選取進給量分別為 0．06mm / r、0. 09 mm / r、0．13 mm / r進行鑽削仿真。在後處理器裏提（tí）取鑽頭最高切削溫度數據，得到每個進給量對應的鑽頭最高切削溫度變化曲線如圖 10 所示。由（yóu）曲線圖可知，當切削速度（dù）一（yī）定時，深孔加工過（guò）程中的最高溫度（dù）隨著（zhe）進給量的增大而增大，最後趨於平穩。所以進給量與切削溫度成正比。

圖10 進給量對切削（xuē）溫度變化曲線圖

3 、結論

通過構建高壓共軌噴油器（qì）體（tǐ）深孔鑽削三維仿真模型，確立仿真（zhēn）參數及邊界條件，並通過單一變量因素仿真試驗（yàn），本文利用有限元（yuán）仿（fǎng）真軟件 Deform-3D 對噴油器體深孔加工過（guò）程進行動態模擬。仿真結果（guǒ）表明，隨著鑽入深度的增加，槍鑽鑽頭的溫度也迅速增大，並且最後逐漸穩定; 深（shēn）孔加工中最高溫度出現在切屑（xiè）與刀具的接觸麵（miàn）上; 進給量、切削速度都與切削溫度呈正相關關（guān）係。本文研究結果為今後深孔加工切削參（cān）數優化，延長（zhǎng）刀具壽命提供一定的理論指導。

來源：江南大學機械工程學院（yuàn），中國第一汽車股（gǔ）份有限公司無錫油泵油嘴研究所

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