超聲振動輔助鉆削P20軸向力與入口邊緣質量性能研究

吳志強,張衛鋒,張燦祥

(青島科技大學 機電工程學院,山東 青島 266061)

P20模具鋼具有硬度均勻、拋光性能與光蝕刻花性能好的優異特點[1-2],因而能在熱塑模、拉伸模、吹塑模等模具制造領域廣泛使用[3-4]。在針對P20的孔加工中,使用傳統鉆削方法,會出現切削力較大、入孔邊緣質量較差的問題,限制了P20 的工程應用[5]。針對這些問題,本研究采用超聲振動輔助鉆削對P20進行孔加工,它是在傳統鉆削基礎上對刀具施加超聲頻振動,刀具運動形式變成高速旋轉、軸向高頻振動與進給的合成[6-7],改變了鉆削機理[8],是一種全新的工藝特性和加工特征[9]。

本研究使用Deform-3D 對超聲振動輔助鉆削P20的過程進行仿真,設計對比、單因素以及不同冷卻劑的仿真實驗,分析軸向力的變化;通過搭建50 k Hz的超聲振動輔助鉆削實驗平臺開展實驗,并通過仿真結合實驗對比驗證的形式研究超聲振動輔助鉆削P20的工藝特性。

1 有限元模型的建立

Deform-3D 是一個強大的過程模擬系統[10],適于模擬復雜的鉆削過程,能有效預測材料變形過程中發生的各種變化,且不需成本[11]。仿真過程包括前處理,模擬計算和后處理[12]。

1.1 建立幾何模型和材料屬性定義

使用Deform-3D 自帶的工具模塊創建麻花鉆和工件的幾何模型[13]。把鉆刀定義成剛性體,工件是塑性體。定義麻花鉆刀具為硬質合金,工件材料為P20,本構關系為J-C模型[14],表達式如下。

1.2 劃分網格,定義接觸和施加運動

在Deform-3D 中,對工件用絕對網格劃分,而對麻花鉆刀具則用相對網格劃分。工件和刀具的網格劃分圖如圖1所示。

刀具定義成主要對象,工件為從屬對象。設置剪切摩擦類型,摩擦系數設成0.6。建立一個工件之間的自接觸,以防止切屑接觸到工件。

固定工件側面,設置刀具進給速度的方向為Z軸負向,并繞Z軸旋轉。刀具振動進給的位移和速度是一個周期性的函數[15-16],公式為

式(2)中:Z為位移;fz為進給量;n為轉速;t為時間;A為振幅;f為頻率。

對時間t求導,得刀具速度公式:

刀具向Z軸負向進給的同時,沿Z軸做正弦型函數的振動。

在MATLAB 中把時間設成t=0.02 s,每隔0.000 002 s計算出1個函數值,MATLAB 根據刀具速度公式計算出超聲振動輔助鉆削0.02 s時間段內各個時間點的進給速度,所得數據導入Deform-3D 中,完成對刀具進給速度的施加,以模擬刀具的超聲振動進給過程。

2 仿真實驗設計與分析

2.1 兩種鉆削加工的對比仿真實驗

保持主軸轉速和進給速度相同,設計普通鉆削與超聲振動輔助鉆削的對比實驗。仿真實驗參數如表1所示。

表1 兩種鉆削加工方式的對比仿真實驗參數Table 1 Comparison simulation experiment parameters of two kinds of drilling processing methods

圖2 所示為兩種鉆削方式下軸向力的變化趨勢。從圖2中可看出,隨著刀具切削深度的增加,軸向力不斷增大,在某些時間點,軸向力發生突變,這是因切屑的斷裂或者是工件網格產生了畸變,導致軟件進行網格重劃分[17]。

圖2 兩種鉆削加工方式下軸向力的變化趨勢Fig. 2 Variation trend of axial force of two kinds of drilling methods

對比兩種鉆削方式下軸向力的變化趨勢,可以看出,普通鉆削下軸向力變化趨勢是連續不斷的,這是因為普通鉆削下刀具與工件是連續接觸、擠壓以及切削[18];超聲振動輔助鉆削下軸向力為波動式變化,當刀具接觸工件時,軸向力上升并達到一個局部峰值,當刀具與工件分離時,軸向力下降,最后趨近于零。這是因為超聲振動輔助鉆削不再是連續沖擊接觸,而是周期性的,刀具與工件處于周期性接觸和分離的狀態[18],使得軸向力曲線是周期性變化的。

從Deform-3D 中導出數據,求出平均值,并繪制成柱狀圖,如圖3所示。

圖3 兩種鉆削加工方式下平均軸向力柱狀圖Fig. 3 Bar chart of average axial force under two kinds of drilling processing methods

從圖3可以看出,與普通鉆削加工相比,超聲振動輔助鉆削的平均軸向力下降了46%。因此,超聲振動輔助鉆削在減小軸向力方面起到較好效果[19]。

2.2 主軸轉速對軸向力影響的仿真實驗

選擇相同的進給速度和振幅,進給速度選擇0.05 mm·r-1,振幅選擇4μm,不同主軸轉速。

平均軸向力的模擬結果如圖4所示。從圖4可看出,軸向力的變化趨勢隨主軸轉速的提高而減小,但主軸轉速對軸向力的影響不明顯,變化微小。

圖4 不同轉速下的平均軸向力柱狀圖Fig. 4 Bar chart of average axial force at different rotational speeds

2.3 進給速度對軸向力影響的仿真實驗

選擇相同的主軸轉速和振幅,主軸轉速選擇4 800 r·min-1,振幅選擇4μm,不同進給速度下平均軸向力的模擬結果如圖5所示。

圖5 不同進給速度下的平均軸向力柱狀圖Fig. 5 Bar chart of average axial force at different feed speeds

從圖5中可看出,隨著進給速度的增大軸向力也增大,且軸向力受進給速度的影響較大。

2.4 不同冷卻劑對軸向力影響的仿真實驗

選擇空氣、油基和水3 種冷卻劑進行仿真,在Deform-3D 中輸入不同的熱對流系數即可模擬不同冷卻劑對軸向力的影響[20]。仿真實驗參數如表2所示。

表2 不同冷卻劑下的仿真實驗參數Table 2 Simulation experimental parameters under different coolants

仿真結果的平均軸向力如圖6所示。從圖6可看出,空氣冷卻條件下的軸向力最大,油基冷卻條件下的軸向力最小,其原因是油基冷卻劑比空氣和水的潤滑效果好,在加工中通入油基具有較好的潤滑作用,減小了刀具與工件之間的接觸受力,從而減小軸向力。

圖6 不同冷卻劑下的平均軸向力柱狀圖Fig. 6 Bar chart of average axial force under different coolants

3 鉆削P20的軸向力實驗

3.1 實驗臺搭建

實驗臺包括立式加工中心、安裝在上面的超聲波輔助加工裝置Micro Man-S4和工裝測力系統。實驗平臺的主要部分如圖7所示。

圖7 實驗平臺的主要部分Fig. 7 Main parts of the experimental platform

3.2 兩種鉆削加工的對比實驗

保持相同加工參數和加工條件,轉速為4 800 r·min-1,進給速度是20 mm·min-1,通過打開及關閉超聲控制器,以此來實現對P20的超聲振動輔助鉆削和普通鉆削,使用工裝測力系統測量軸向力。實驗參數如表3所示。

表3 兩種鉆削加工方式實驗參數對比Table 3 Comparative experimental parameters of two kinds of drilling processing methods

將測得的軸向力的數據導出,使用Origin軟件繪制出圖8所示的變化曲線。由圖8可看出,超聲振動輔助鉆削下的軸向力的波動程度大于普通鉆削,這一結論與仿真所得結論是一致的。

圖8 兩種鉆削加工實驗下軸向力的變化曲線Fig. 8 Variation curves of axial force of two kinds of drilling experiments

兩種鉆削加工方式下軸向力的平均值見圖9。

圖9 兩種鉆削加工實驗下的平均軸向力Fig. 9 Average axial force under two kinds of drilling experiments

從圖9可知,超聲振動輔助鉆削的平均軸向力比普通鉆削減少了30%。實驗和仿真的變化趨勢是一致的,但仿真結果的平均軸向力減少46%,與實驗有一定誤差,其原因是:仿真條件較理想,實驗受外界環境影響;工裝中的零部件在鉆削過程中有較大振動,與主軸的振幅有一定程度抵消;測力傳感器信號存在測量誤差。

根據前人理論與本實驗研究對超聲加工減小軸向力的原因進行分析。

1) 從平均未變形切屑厚度上分析。平均未變形切屑厚度have的公式是:

其中fv是進給速度,dR是切削徑向寬度,θ是接觸作用區掃描角,N是有效齒數,n是主軸轉速。超聲加工下have的公式變成:

式(5)～(6)中Vvmax是刀具振動速度的最大值,Vc是普通鉆削時的切削速度,實際切削速度是兩者的疊加。從式(4)～(7)中可知在超聲加工下引入一個正弦值使平均未變形切屑厚度數值減小,進而使軸向力減小。

2)超聲加工中,刀具高頻振動,在碰觸工件瞬間,獲得最大沖擊加速度amax和最大沖擊力F:

在巨大的沖擊力下工件材料瞬間變形破壞而變成切屑。超聲加工可使工件弱化,使材料抵抗破壞的阻力減小,進而降低切削力。

3) 普通切削下刀具是正交切削,加上超聲后刀具變成斜切的切削形式并出現一個傾角,傾角越大,軸向力減少更明顯。

3.3 主軸轉速對軸向力影響的實驗

選擇相同的進給速度和振幅,進給速度選擇20 mm·min-1,振幅選擇4μm,不同主軸轉速下軸向力變化曲線圖如圖10所示。對每組實驗數據求平均值如圖11所示。

圖10 不同轉速下軸向力的變化Fig. 10 Changes of axial force under different rotational speeds

圖11 不同轉速下的平均軸向力柱狀圖Fig. 11 Bar chart of average axial force under different rotational speeds

從圖10中可看出,隨著轉速的增加,軸向力有下降趨勢,與仿真的變化趨勢相同。從圖11中可以看出,當轉速從2 400 r·min-1增加至3 600 r·min-1時,軸向力的下降幅度最大,繼續增加轉速,軸向力變化幅度逐漸減小。分析可知,轉速增高使切削速度變大,對抗材料斷裂的力相應變大,繼續加大轉速,就會大于其斷裂強度,工件的切削未變形面積減少,進而使切削力下降。當轉速增加到一定值后,切削變形面積變大的幅度減小了,使切削力緩慢下降。

3.4 進給速度對軸向力影響的實驗

保持主軸轉速和振幅不變,主軸轉速為4 800 r·min-1,振幅為4μm,不同進給速度下軸向力變化曲線圖如圖12所示。對每組實驗求平均值如圖13所示。

圖12 不同進給速度下軸向力的變化Fig. 12 Changes of axial force under different feed speeds

圖13 不同進給速度下的平均軸向力柱狀圖Fig. 13 Bar chart of average axial force under different feed speeds

從圖13看出,隨著進給速度增加,軸向力大幅度增加,與仿真的變化趨勢相同。相較于主軸轉速,進給速度對軸向力的影響程度更大。分析原因可知:進給速度增加會使刀具的每轉進給量增加,即刀具與工件的接觸面積變大,切削未變形面積變大,使得軸向力急劇增大。

3.5 不同冷卻劑對軸向力影響的實驗

機械加工中,施加冷卻劑是較為重要的,它可以起到冷卻,潤滑,清洗等作用[21]。實驗選用普通鉆削加工,研究冷卻劑對軸向力的影響。主軸轉速為4 800 r·min-1,進給速度為20 mm·min-1,在室溫下不同冷卻劑對軸向力的影響見圖14。對各組實驗求平均值如圖15所示。

圖14 不同冷卻劑類型下軸向力的變化Fig. 14 Axial force under different coolant type changes

圖15 不同冷卻劑類型下的平均軸向力柱狀圖Fig. 15 Bar chart of mean axial force for different coolant types

從圖15中可以看出,使用乳化液冷卻時軸向力整體趨勢最小,空氣冷卻最大,水冷時次之。乳化液中含有基礎油,所以該實驗與仿真中的參數基本相同,實驗與仿真的結果相同。根據兩者的結論可知,在實際的孔加工中,應該首先選用油基類型冷卻劑。良好的冷卻條件可減少刀具的受力,獲得良好的孔加工質量。

4 入孔形貌

在孔加工中,孔的入口邊緣經常出現破碎或毛刺的情況,影響孔的質量[22]。本節基于上述實驗,通過能放大50倍的基恩士(KEYENCE)形狀測量激光顯微系統,觀察入孔邊緣質量。

4.1 兩種加工方式對入孔邊緣質量的影響

普通鉆削和超聲振動輔助鉆削,兩種加工方式下的入孔形貌如圖16所示。從圖16中可以發現,超聲振動輔助鉆削的孔相比于普通鉆削,邊緣質量得到改善。這是因為刀具做超聲頻振動,具有較大的加速度,每次進給的沖擊力較大,材料的未變形面積減少,使得入孔邊緣的裂紋減小。

圖16 兩種鉆削加工方式下的入孔邊緣形貌Fig. 16 Inlet edge morphologies under two kinds of drilling

4.2 主軸轉速對入孔邊緣質量的影響

圖17所示為4組轉速下的入孔形貌特征。從圖17中可以看出,轉速是2 400 r·min-1時,孔的邊緣質量較差。其原因是刀具軸向進給的壓力以及超聲振動的沖擊力,在鉆削過程中所占比例大,刀具側刃的切削作用不明顯,使得入孔邊緣破碎情況嚴重。當轉速增大至4 800 r·min-1后,高速旋轉的側刃切削能力變強,邊緣破碎情況減小。當轉速增大至6 000 r·min-1,邊緣質量又變差,邊緣破碎尺寸變大,原因是加工中心有一定轉速范圍,轉速接近極限轉速時,會使主軸回轉精度下降,導致入孔破碎尺寸變大。

圖17 不同轉速下入孔邊緣形貌特征Fig. 17 Morphological characteristics of inlet hole edges under different rotational speeds

4.3 進給速度對入孔邊緣質量的影響

圖18所示為4組進給速度下的入孔形貌特征。

圖18 不同進給速度下入孔邊緣形貌特征Fig. 18 Morphologic characteristics of hole edges under different feed rates

從圖18中可以看出,隨著進給速度的增加,孔的入口邊緣破碎范圍增加,進給速度為80 mm·min-1時,孔邊緣呈現出不連續形態。其原因是進給速度的增加使刀具與工件的接觸面積變大,材料的去除包括超聲振動對工件的沖擊和刀具的切削刃切削材料。超聲振動對工件的沖擊產生了大量微小裂紋,切削刃負責切除,使切屑掉落。當進給速度增大的時候,會使刀具向下的位移增大,壓力超過P20能承受的最大壓力時,微小裂紋就會變大,直到壓潰,出現入孔邊緣質量差的現象。

4.4 冷卻劑類型對入孔邊緣質量的影響

選擇空氣,水和乳化液3種冷卻方式研究入孔邊緣質量。實驗得到的入孔形貌如圖19所示。從圖19中可知,在空氣冷卻的情況下入孔邊緣質量較差,水冷次之,而乳化液冷卻的條件下入口邊緣質量最好。因此,實際加工中應首選乳化液冷卻。

圖19 不同冷卻劑下的入孔邊緣形貌特征Fig. 19 Morphology characteristics of inlet edge under different coolants

5 結論

通過仿真和實驗,研究了超聲振動輔助鉆削P20的工藝特性,結論如下:

1)相比普通鉆削,超聲振動輔助鉆削可有效減小軸向力,而且可以得到較好的入孔邊緣質量。綜合比較,超聲振動輔助鉆削比普通鉆削更優。

2)通過單因素實驗得出,隨著主軸轉速的增加,軸向力呈現出下降趨勢,而隨著進給速度的增加,軸向力呈現上升的趨勢;入口邊緣質量隨著主軸轉速的增大,出現先變好后變差的情況,而隨著進給速度的增加出現變差的趨勢。

3)從不同冷卻劑的實驗中得出,與空氣和水冷卻相比,乳化液冷卻條件下,可以獲得更小的軸向力,能改善入孔邊緣質量。