柴油機(jī)氣缸體三面鉆削組合機(jī)床總體及左主軸箱設(shè)計(jì)

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硬車削加工操作用于加工硬質(zhì)材料，如淬硬鋼。隨著對(duì)高品質(zhì)制造元件的需求越來(lái)越大，硬質(zhì)鋼成為現(xiàn)代金屬切削加工中使用最廣的材料之一，如齒輪、軸、軸承、模具類似零件的材料。制造切割工具是用專門的工具材料，如立方氮化硼亞硝酸鹽（立方氮化硼），這種材料能克服在加工過(guò)程中遇到的問(wèn)題[1]。這些刀具可以在惡劣條件下對(duì)鐵基材料進(jìn)行硬車削，即使在高溫下，它們也具有良好的性能，可以高速切割和干切削[2]；由于不使用切削液，這樣可以節(jié)省購(gòu)買和處置切削液費(fèi)用 ，從而降低了成本。干切削因?yàn)槠浼庸み^(guò)程的特點(diǎn)而具有環(huán)保性。此外經(jīng)證實(shí)高速硬車削大大地節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間。 硬車削作為一種先進(jìn)的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)它也是一種不可替代的過(guò)程，因?yàn)橹鸩綀?zhí)行硬車削可以用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)或是非傳統(tǒng)的整理業(yè)務(wù)繁瑣過(guò)程；如電火花加工（電火花），在硬加工部分，都等于或優(yōu)于傳統(tǒng)加工，它不僅能保證了精確度，而且具有良好的靈活性同時(shí)節(jié)省大量的時(shí)間，降低成本[4-7]。 但是現(xiàn)代工業(yè)所采用的硬車削的程度并沒(méi)有象我們認(rèn)為的那么多，主要是由于以下的問(wèn)題：快速刀具的磨損或破裂，加工時(shí)刀具產(chǎn)生的高壓和高溫會(huì)導(dǎo)致加工結(jié)果很差[8]。作為一種新型的加工方法，它需要進(jìn)一步加以研究、優(yōu)化，而大多數(shù)研究工作卻僅限于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不過(guò)這種新型的硬車削利用數(shù)值模擬能夠?yàn)楣ぷ鬟M(jìn)程提供有用的數(shù)據(jù)，從而更好地理解加工的過(guò)程。特別是有限元法（FEM），目前已廣泛應(yīng)用于對(duì)加工過(guò)程分析和加工過(guò)程切削性能的預(yù)測(cè)。有限元法是一種非常強(qiáng)大的工具切割分析技術(shù)的方法，它可以應(yīng)用于高速硬車削。 在本文中介紹的有限元法，是以模擬高速硬車削為例，考查切削速度在切削性能上的影響以及預(yù)測(cè)切割操作中關(guān)鍵的加工參數(shù)，其中一些數(shù)據(jù)有時(shí)很難測(cè)量或計(jì)算，對(duì)此我們要特別的重視。例如，溫度對(duì)工件加工過(guò)程的影響。硬車削是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的切削過(guò)程，切削條件與傳統(tǒng)的加工方法不同。為此出現(xiàn)了有限元法的第三次浪潮，它專門用于模擬切割操作，為模擬硬車削建立了正交和斜切割模型。 2有限元模型 在參考文獻(xiàn)[9-10]可以找到過(guò)去的三十年來(lái)，各種模擬使用有限元方法加工過(guò)程的報(bào)告。出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代第一種型號(hào)利用歐拉公式模擬正交切割。通過(guò)這一辦法的有限元網(wǎng)格的空間固定和充滿其中的材料以模擬形成該模型的信息。這種模式減少計(jì)算時(shí)間，由于一些內(nèi)容需要為工件建模和分塊，它主要用于模擬穩(wěn)態(tài)條件下的切削過(guò)程。因?yàn)榫W(wǎng)格是一種清楚先驗(yàn)所以圖形要素不會(huì)嚴(yán)重失真，但這一提法需要復(fù)雜的編程。此外必須在加工前得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為該模型了確定存儲(chǔ)在芯片的幾何形狀。 但是這方法僅僅被一些研究人員所使用，現(xiàn)在已提出最新的拉格朗日方法得到了更廣泛的使用。此方法中，理論聯(lián)系切削工具材料，加工適合加工的工件。對(duì)于切屑的形成，刀刃切屑分離標(biāo)準(zhǔn)仍然是適用的。迄今為止提出了許多關(guān)于幾何尺寸或物理性能的標(biāo)準(zhǔn)，例如工具和刀具之間的一個(gè)臨界距離，當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到這一臨界距離工件上接近刀刃部分的材料就會(huì)分離這就是切屑的形成。其他有關(guān)分離的臨界值標(biāo)準(zhǔn)例如開(kāi)始形成切屑的應(yīng)力或應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，甚至提出了裂紋擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)就是在仿真時(shí)要觀察大型網(wǎng)格的變形。由于網(wǎng)格是附著在工件材料上的而塑性變形發(fā)生在切削區(qū)所以網(wǎng)格會(huì)發(fā)生扭曲。為了克服這一缺點(diǎn)通常采用連續(xù)格和自適應(yīng)網(wǎng)格，這大大增加了計(jì)算時(shí)間。不過(guò)由于計(jì)算機(jī)的進(jìn)步使減少所需的時(shí)間達(dá)到這樣的分析水平成為可能。注意所有的拉格朗日-歐拉公式（ALE）都是為了結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)而提出的，但是它還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。 迄今提出的大部分模型都屬于正交切削的二維模型，而有關(guān)3D模型在文獻(xiàn)很罕見(jiàn)。這主要是因?yàn)楸M管三維切割更接近實(shí)際，但是它需要更為復(fù)雜的工件、復(fù)雜的刀具幾何形狀和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，還有更多的計(jì)算時(shí)間。特別是研究硬切削更加的困難。 下面提供發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用用第三次浪潮軟件的模式，該軟件適合加工仿真特殊功能的集成。它菜單的設(shè)計(jì)方案采用的方式能使用戶能夠最大限度地減少模型的準(zhǔn)備時(shí)間。 此外還包括了常用的切割作業(yè)中工件和刀具材料了的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供所有需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的材料模型。代碼是明確的動(dòng)態(tài)的可以執(zhí)行熱力耦合瞬態(tài)分析拉格朗日代碼。該計(jì)劃適用于為微元和工件結(jié)網(wǎng)自動(dòng)重新網(wǎng)格化并給予準(zhǔn)確的結(jié)果。為分析討論數(shù)值模擬所使用的技術(shù)方案和全面的職能介紹見(jiàn)參考[16]。 3 結(jié)果與討論 3.1正交切削模型 正交切削示意圖如圖 1 。垂直在平面的切削的厚度用數(shù)字表示，在平面應(yīng)變情況下，它被認(rèn)為是比較大的進(jìn)給厚度。 本次分析的工件材料是氫13熱變形磨具鋼，其長(zhǎng)度是采取L = 3毫米。用材料是立方氮化硼的刀具來(lái)模擬刀具磨 圖1 正交切削模型原理圖 損，界面摩擦采用庫(kù)侖摩擦法，摩擦系數(shù)保持在設(shè)定值μ=0.5 。分析時(shí)切削刀具，采用-5°前角， 5°角后角和0.02毫米圓角。 此外，進(jìn)給速度都采用F=0.05毫米/圈，切割速度考慮采用3種不同速度，即Vc=200 ， 250和300mm/分鐘。 圖2（a）切削前的網(wǎng)格（b）切削一半（L=1.5mm）時(shí)的網(wǎng)格 圖2（a）和（b）表述的是Vc=300mm/min情況下切削前和工件（L=1.5毫米的切削時(shí)間t = 3×0.00001S）切削一半時(shí)創(chuàng)建典型的網(wǎng)格，在圖表中也可以看到適應(yīng)網(wǎng)格程序數(shù)字的不斷演化。注意圖2（a）接近刀的尖稠密網(wǎng)格，其中已經(jīng)變形發(fā)生，而在圖2（b）該剪切帶創(chuàng)建了新的內(nèi)容，預(yù)計(jì)其中的應(yīng)變率很高。此外，還要注意，特別是在其內(nèi)、外表面網(wǎng)格稠密的切屑，因?yàn)樽冃蔚牟牧显谶@一領(lǐng)域，所以應(yīng)力也很高；此外，精密的網(wǎng)格可以更貼切的表示材料內(nèi)質(zhì)紋理，提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。 從有關(guān)文獻(xiàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種為了實(shí)現(xiàn)正交切削條件而采用的高速車削硬質(zhì)鋼（55HRC）的硬車削模型。圖3是實(shí)驗(yàn)所得的進(jìn)給力Ft和切削力Fc與模型預(yù)測(cè)值的比較，從這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果非常接近，一般來(lái)說(shuō)，他們有同樣的趨勢(shì)；其中進(jìn)給力對(duì)合力影響最大， 圖3 三種切削速度下不同切削力的經(jīng)驗(yàn)值與理論值 隨著切削速度增加進(jìn)給力會(huì)減小而切削力只是略有增加。不過(guò)，在大多數(shù)情況下，模擬數(shù)值總比實(shí)驗(yàn)數(shù)值似乎要高，隨著切削的速度提高差距會(huì)更大，這可能是由于這一過(guò)程中發(fā)生了較大的應(yīng)變，這一應(yīng)變改變了材料性能，而他們采取的模式無(wú)法記錄或者是因?yàn)椴徽_的摩擦模型，這就意味著需要提出一個(gè)更先進(jìn)的摩擦理論。 請(qǐng)注意，除了切削力和進(jìn)給力可以從工程實(shí)際加工中測(cè)出以外，其它的數(shù)據(jù)如果不用模型模擬而從實(shí)際加工中測(cè)量，即使能測(cè)出來(lái)，也將是非常困難，甚至是不可能 圖4 工件、切屑、刀具的（a）溫度分布（b）應(yīng)力分布 的。比如：工件和刀具等的溫度溫頻帶的分布形式和切削過(guò)程中馮米塞斯力的分布。圖4（a）和（b）表示切削速度為Vc = 300m/min時(shí)溫度場(chǎng)和馮米塞斯力的分布。這些圖片表明該模型的一個(gè)分析步驟，特別是切削最穩(wěn)定的切削長(zhǎng)度L= 1.5mm的時(shí)候。 從各種條件所得到的結(jié)果，形式上大體是類似的。從取得的成果，可得出的結(jié)論，提高切削速度最高切削溫度也會(huì)有所增加，如620℃ ，690℃和730℃對(duì)應(yīng)了三種不同的切割速度。這就解釋了低強(qiáng)材料的切削溫度較高，因?yàn)椴捎酶叩那邢魉俣瓤梢詼p小進(jìn)給力。由于材料的塑性變形和摩擦的原因，切屑與刀具的前刀面接近刀尖的接觸部分更容易處于紅熱狀態(tài)，遠(yuǎn)離刀面部分的切屑溫度逐步降低。剪切帶中心的壓力幾乎恒定，而刀尖附近的壓力較低；這可能是由于這一區(qū)域的溫度升高使材料變軟。 所能承受的最高溫度和前刀面的溫度場(chǎng)的分布是刀具的重要參數(shù)，因?yàn)榱⒎降鸬毒叩哪p與高溫有關(guān)，高溫會(huì)減少刀具壽命。通過(guò)模型模擬得到的數(shù)值，以盡量減少不必要的影響，選擇合適的切削條件，以優(yōu)化切削過(guò)程。正交切削模型還可以，模擬毛刺的形成過(guò)程，使得工件的材料得到完全的利用；也可以對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn) 圖5 毛邊的形成和工件、切屑的塑性變形 行合理的擴(kuò)大，從而使走刀路徑覆蓋工件。從圖5可以看出在切削速度Vc=300mm/min時(shí)工件毛刺形成及塑性應(yīng)變。 3.2斜切割模型 二維模型迄今更受歡迎的模型切割行動(dòng)，因?yàn)樗鼈兪窍鄬?duì)簡(jiǎn)單，他們可以提供可允許范圍內(nèi)的精度。然而，正交加工只是一個(gè)理想的代表性切割，它認(rèn)為變形的切屑在一個(gè)平面；在現(xiàn)實(shí)生活中，切削變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在三個(gè)層面。迄今在文獻(xiàn)中提出的三維模型是不同于傳統(tǒng)的斜切割模型的方法[14 ，15]。然而，正是這種方法提出這方面的工作，因?yàn)橐呀?jīng)積累了很多類似的應(yīng)用的問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，可以用有限元法充分處理三維建模的問(wèn)題。此外，所有工件和刀具的參數(shù)，以及切割條件和前面模式中切削速度Vc= 300mm/min是相同的。不同的是刀具的刃傾角改為20度。 圖6高速硬車削的斜切削的溫度 圖7 高速硬車削的斜切削的后視圖 高速硬車削的斜切削模型，像在二維模型中一樣可提供很多有用的數(shù)據(jù)。如圖6所示工件的溫度場(chǎng)，還有切屑和刀具。在同一數(shù)字表格中相同位置，也可以看出刀具相對(duì)于工件的溫度場(chǎng)，這就解釋了切屑形式。圖7展現(xiàn)卷曲的切屑，我們從圖中能夠更好地觀察切屑，后方可以在同一時(shí)間看出工件加工的步驟。在這張圖中，刀具被忽略，這樣的為了可以更好的看到在切割位置的溫度。 請(qǐng)注意，描述這些模型比描述現(xiàn)有的二維模型需要更多內(nèi)容，計(jì)算時(shí)間大約是二維模型的10倍以上，而在普通的PC機(jī)上計(jì)算三維模型所需時(shí)間將超過(guò)100小時(shí)。盡管三維模型可以提供更多的信息也更加的直觀，正是由于這個(gè)缺點(diǎn)，使它沒(méi)有二維模型實(shí)用。 4 結(jié)論 總結(jié)上述報(bào)告，我們可以得出硬車削是一種新的加工方法，相比其他加工硬質(zhì)鋼方法具有很多優(yōu)點(diǎn)。特別是高速硬車削，更具有加工時(shí)間短和成本低的優(yōu)點(diǎn)。 有限元以前在模擬加工方面就得到了廣泛應(yīng)用。本文和商業(yè)有限元的第三次方案也使用了這種方法，我們借助這種專門的軟件，可以模擬出二維和三維正交斜切削的模型。 把正交切削模型模擬得出的切削力和進(jìn)給力的結(jié)果，與相關(guān)文獻(xiàn)中得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。假設(shè)其它結(jié)果可以預(yù)見(jiàn)如工件和刀具的溫度、壓力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)將是非常難得到。后者的結(jié)果可用于切削過(guò)程的理論研究以及加工中出現(xiàn)的特定現(xiàn)象。例如刀具反過(guò)來(lái)會(huì)影響工件表面質(zhì)量，此外還可以模擬正交切削中毛刺的形成。 三維斜切割模型研究的問(wèn)題是在三維空間，而不是在某一個(gè)想象的正交平面內(nèi)切屑的變形，因此這種方法更接近現(xiàn)實(shí)。斜切削模型有提供與二維模型同樣的數(shù)據(jù)的能力，但同時(shí)還會(huì)得到其它的信息。例如三維切屑的形成，不過(guò)這些模型比較復(fù)雜，需要以增加工作量和分析計(jì)算時(shí)間的方式增加更多的條件。 從以上的分析可以得盡管只進(jìn)行了少量必要的試點(diǎn)工作，但產(chǎn)生可靠的結(jié)果說(shuō)明這種方法在現(xiàn)實(shí)加工中是切實(shí)可行的，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)的最優(yōu)化。 參考文獻(xiàn)： 1. 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