微小精密零件加工表面質(zhì)量影響淺析
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摘要:銑削加工是精密零件加工的重要手段之一，不同銑削加工方式對微小精密零件的表面質(zhì)量有很大影響。本文通過研究銑刀單齒的運動軌跡模型，分別建立順銑和逆銑時的粗糙度計算模型，以某微小精密零件實際加工參數(shù)為例，對順逆銑的表面粗糙度進行對比分析;以AISI4340鋼為工件材料，對某微小精密零件的順逆銑進行仿真，研究兩種銑削方式的銑削力和表面殘余應力。
關鍵詞:順銑;逆銑;粗糙度建模;仿真分析;表面質(zhì)量
1引言
銑削是加工具有復雜結(jié)構的微小精密零件的關鍵加工手段，圖1為銑削加工中逆銑和順銑的加工示意圖，兩種銑削方式對零件的加工表面質(zhì)量和刀具的使用壽命有很大的影響。張偉等［1］對不銹鋼材料進行順逆銑切削試驗發(fā)現(xiàn)，順銑時銑刀偶爾會發(fā)生崩刃的情況，普通銑床在順銑時存在工作臺竄動、崩刃和打刀問題。TeChingHsiao等［2］通過建立了一維銑削系統(tǒng)的加工穩(wěn)定性模型發(fā)現(xiàn)，順銑與逆銑相比，Y向順銑的加工穩(wěn)定性更好，X向逆銑的加工穩(wěn)定性更好。李玉煒等［3］對P20模具鋼進行順逆銑實驗發(fā)現(xiàn)，相同的切削參數(shù)條件下，逆銑的表面粗糙度值小于順銑。焦可如等［4］在SiCp/Al復合材料的順逆銑實驗中發(fā)現(xiàn)，采用順銑的已加工表面粗糙度值均小于逆銑加工，且順銑的已加工表面粗糙度值變化幅度小于逆銑加工。關于順銑和逆銑的優(yōu)缺點還存在爭議，為此本文以微小復雜精密零件銑削加工為基礎，通過研究銑刀單齒的運動軌跡，建立粗糙度計算模型來比較順逆銑粗糙度的差異;建立銑削二維仿真模型，以AISI4340鋼為工件材料，仿真分析順銑和逆銑的銑削力變化情況及順逆銑加工的特點。
2順逆銑粗糙度分析
2.1建立順逆銑刀齒軌跡模型
針對順銑和逆銑兩種銑削方式建立數(shù)學模型，計算銑刀單齒在銑削時的運動軌跡。以張之敬等［5］的單齒運動幾何模型為基礎，即以立銑刀端面基本圓所表示的刀齒軌跡作為刀軌模型。如圖2所示，θ(θ=2πnt60)表示刀具在t時刻轉(zhuǎn)過的角度，A點為切削軌跡上某一點，B點為銑刀刀齒在A點時的銑刀圓心。分別建立銑刀的刀齒軌跡矢量模型OA=OC+CB+BA(1)式中，f為銑刀的進給速度(mm/min);n為銑刀的轉(zhuǎn)速(r/min);r為銑刀基本圓的半徑(mm)。以工件在銑刀上方為標準，計算順逆銑刀齒軌跡運動模型為式中，λ=1時，為順銑刀齒軌跡模型;λ=－1時，為逆銑刀齒軌跡模型。圖3為銑刀單齒運動的二維軌跡模型。
2.2粗糙度計算模型
建立如圖4所示的粗糙度計算模型，曲線1和曲線2分別代表銑刀相鄰兩刀齒切削軌跡，陰影部分為工件在銑削中未被切削部分。式(2)和式(4)為順銑時相鄰兩刀齒的運動軌跡模型，i為銑刀齒數(shù)。得到A、B點坐標通過式(5)和式(2)計算yC，得使用牛頓迭代法對該超越方程進行求解，迭代公式為陰影部分面積SShadow和順銑時的表面粗糙度Ra1為同樣可以得到逆銑時C'點的迭代公式為迭代求得α=θC'。逆銑時的表面粗糙度Ra2為取某微小復雜精密零件銑削加工中的實際加工參數(shù)(見表1)分別計算順逆銑的粗糙度理論值。計算得到θc=3．139713165536，Ra1=1．472×10－4;θc'=3．143463189106，Ra2=1．458×10－4。忽略材料變形等因素，僅考慮主軸轉(zhuǎn)速、進給量、銑刀刀刃半徑和銑刀齒數(shù)對加工表面粗糙度的影響時，在表1的銑削條件下，對比可知，順銑表面粗糙度比逆銑大1%，并且隨著主軸轉(zhuǎn)速增大和進給速度減小，順逆銑粗糙度的值越來越接近。
3微小精密零件順逆銑的仿真
分別建立順銑和逆銑的二維分析模型(見圖5)，劃分工件網(wǎng)格，設置單元類型為CPE4RT，設置刀具為剛體，僅考慮刀具的溫度傳導，忽略加工過程中溫度引起的化學變化。設置工件為各向同性，不考慮銑削過程中刀具和工件的振動。刀具材料選擇YG8硬質(zhì)合金，工件材料選擇AISI4340鋼，材料模型采用Johnson-cook模型，其屈服應力由應變、應變率和溫度三部分組成，可表示為σ=［A+Bεn］［1+Clnε*］［1－T*m］式中，σ表示有效的應力;A，B，c和m為常數(shù)，通過實驗測得;ε表示有效塑性應變;n表示工作硬化指數(shù);ε*表示歸一化的有效的塑性應變(一般為1.0s－1);T*=(T－298)/(Tm－298)，Tm表示材料的融化溫度。Johnson-cook損傷模型常用在金屬材料的動態(tài)分析中，失效模型采用Johnson-cook損傷模型，材料的失效取決于累積損傷參數(shù)D，當累積損傷參數(shù)D=1時發(fā)生失效，公式為D=∑Δεeqεf式中，Δεeq表示載荷增加時增長的有效塑性應變;εf為當前時間的有效斷裂應變，可表示為εf=［D1+D2expD3(σ)*］［1+D4lnε*eq］［1+D5T*］式中，σ*為應力三軸度;Di(i=1，…，5)為常數(shù)。仿真中所用到的參數(shù)見表2～表5。圖6和圖8是從切削表面均勻選取一定數(shù)量單元的應力變化曲線，計算各個節(jié)點切削力的最大值和方差，得到的結(jié)果如表6所示。圖7和圖9是仿真得到的順銑和逆銑兩種銑削方式銑削力的變化曲線。對比應力變化曲線，順銑選擇的參考單元中有90%的單元殘余應力在區(qū)間［0．1，0．5］中，逆銑選擇的參考單元中有83%的單元殘余應力在區(qū)間［0.3，0．7］中，表面殘余應力順銑小于逆銑。順銑時，Y方向上切削力剛開始急劇增大，之后逐漸減小到零。逆銑時，Y方向上切削力由零逐漸增大，最后快速到零。順銑和逆銑X方向切削力變換情況相比，順銑時X方向切削力變化更穩(wěn)定。
4結(jié)語
本文研究了加工微小復雜精密零件時順逆銑對加工性能(包括表面粗糙度和切削力)的影響。(1)建立銑刀單齒運動軌跡模型，分別得到順銑和逆銑的軌跡
模型。結(jié)合相鄰兩齒的運動軌跡，分別建立順逆銑的粗糙度計算模型，該模型綜合考慮了主軸轉(zhuǎn)速、進給量、銑刀刀刃半徑和銑刀齒數(shù)對加工表面粗糙度的影響。根據(jù)給定的加工參數(shù)計算順逆銑粗糙度，可知順銑粗糙度比逆銑大，且兩者粗糙度的差值隨著主軸轉(zhuǎn)速增大和進給速度減小逐漸變小。因此在主軸轉(zhuǎn)速小且進給速度大的情況下，要想得到較小的表面粗糙度，應選擇逆銑。(2)使用ABAQUS軟件分別建立順逆銑銑削力的仿真模型，根據(jù)仿真得到的結(jié)果可知，逆銑時切削力在X方向的變化更平穩(wěn)。順銑時在Y方向的變化更平穩(wěn)，但順銑時Y方向切削力先由零急速增長到最大值，之后逐漸減小，對刀具沖擊較大，影響刀具使用壽命。順銑的加工表面殘余應力小于逆銑，逆銑的加工表面更容易發(fā)生變形。綜上所述，微小復雜精密零件加工中，如果零件表面質(zhì)量有較高要求且刀具強度高和塑性好時，銑削方式應選擇順銑;如果是普通機床，機床主軸轉(zhuǎn)速較低且刀具耐磨性較好，被加工材料不易變形，銑削方式應選擇逆銑。實際加工過程是復雜的，本文建立的粗糙度計算模型只能用于計算理想情況下(即忽略材料變形)工件的粗糙度值，建立的仿真模型為二維模型，切削力仿真時忽略了刀具和工件的振動，考慮工件材料為各向同性，雖然上述措施簡化了運算，但與實際結(jié)果會有一些偏差。
作者:馬東明 黃曉華 翁亞華 王子昊 單位:南京理工大學