汽车关键部件数控切削过程仿真与工艺优化

王丹伟，安庆龙，明伟伟，陈 明

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

1 前言

机械制造业的水平是一个国家综合实力的重要标志，而金属切削技术的发展则是一个国家制造业实力与能力的象征，对现代制造业的发展具有重要的意义。切削加工仍是目前最为广泛应用的机械零件制造方法。随着科学技术的发展，高性能加工问题已经成为越来越多研究者关注的重点[1]。所谓高性能加工，是指在保证产品制造质量的前提下，使加工效率最高、成本最低的加工优化问题。国内外关于高性能加工的相关研究有：刀具材料、刀具几何参数与结构的研究与优化设计[2-4]；高速、高精度加工机理的研究[5-6]；基于有限元的加工过程建模与分析[7-8]；加工过程监控与工艺系统故障诊断[9-10]；加工过程仿真与工艺参数优化设计[11-14]等。

在汽车关键零部件制造中，变速箱箱体和电磁阀阀体这两类零部件的加工占据重要地位。而在保证零件加工精度的前提下，复杂的加工工艺和采用的难加工材料使得加工效率低，刀具寿命短，生产成本高。因此，在已确定的加工环境下，优化加工工艺及相关切削参数是协调加工质量、效率和成本目标的主要途径之一。而对以上两类零部件进行切削过程仿真及工艺参数优化，能为提高加工效率，从而降低生产成本提供有力的技术支持。为此，将以上述两种零部件为对象，研究基于PM的加工过程仿真，并针对变速箱箱体的数控程序进行参数优化，对比优化前后的切削力、加工时间，同时将基于仿真结果，探讨电磁阀阀体深孔钻削时出现断刀现象的原因。

2 基于PM的切削过程建模与仿真

Production Module（简称PM）是Third Wave Systems公司开发的一款工艺分析软件，集工件材料属性、CAD/CAM和机床动力学于一体，通过对工件、刀具、机床及NC程序的综合分析，可得到整个加工过程中的切削力、温度、材料去除率及消耗功率等数据，从而对数控加工工艺过程进行合理性评价。同时可以针对优化NC程序中进给量及切削速度参数，以达到稳定切削力或切削温度，降低振动以及缩减加工周期的效果。利用PM软件，能清楚地了解切削加工过程并确定需要改进的方向，可避免添置额外设备，有利于充分发挥机床性能。这里PM软件仿真所采用的材料本构模型为Johnson-Cock模型，如式（1）所示。该模型考虑了应变速率和温度对应力的影响，反应了切削过程的物理本质，能较为准确的描述实际切削过程中应力应变的关系，为获取有效数据提供理论依据。

PM的仿真界面和应用示例，如图1所示。分析可得，通过PM进行切削运动仿真，可实时获取加工过程中的切削力与进给速率，为后续工艺参数优化提供数据支撑。通过软件优化，切削力与切削功率的峰值和突变得到有效降低，能有效减少加工过程的冲击载荷，减少刀具崩刃的产生；同时，从均化载荷出发对加工程序进行优化，使加工时间得到缩减。基于以上讨论，将对变速箱箱体和电磁阀阀体进行数控切削过程仿真，同时对变速箱箱体端面铣削时的切削参数进行优化，对深孔钻削电磁阀阀体时出现的断刀现象进行分析。

图1 Production Module软件界面与应用示例Fig.1 Production Module Interface and Application Examples

3 仿真结果分析与讨论

3.1 变速箱箱体面铣削过程仿真与参数优化

变速箱箱体端面铣削主要包括三道工序，对应三个不同位置，分别命名为面A、面B、和面C。仿真设置的工件材料为A380铝合金，由于加工面较大，需采用盘铣刀提高加工效率。盘铣刀的刀柄直径为58mm，装有9个刀片，刀片圆角半径为0.8mm。仿真采用的优化前的切削参数与实际加工采用的参数一致。采用优化前切削参数对面A进行端铣削时对应的切削力大小，如图2所示。分析可得，在整个切削过程中切削力不是均匀恒定的，时常会出现一些波峰。分析其原因是由于变速箱箱体几何形状复杂，因此在加工过程中采用恒定的切削参数会导致材料去除率的变化，对应波峰位置即为材料去除率较大的切削位置，刀具载荷高，容易引起切削振动，影响加工质量，损伤刀具寿命。因此，基于PM进行切削参数优化。优化目标为使铣削力均匀，尽量减少铣削力的突变。

图2 面A端铣优化前切削力示意图Fig.2 Cutting Force Simulation Results before Optimization of Face A

基于以上分析，在PM中选择的优化方式是根据优化前最大铣削力优化进给速度，在考虑刀具寿命和刀尖强度的情况下，当铣削力低于优化前铣削力均匀分布处的最大值时，切削参数中可适当增大进给量。

优化前后对应的进给速度仿真结果，如图3所示。从图中可以看出，优化前采用的进给速度是恒定不变的，大小为7560mm/min，而优化后的进给速度则根据切削力变化进行了调整，在加工过程中实现变进给切削，最大进给速度可达9000mm/min。实现变进给切削，即在铣削力较低时适当增大进给速度，在出现力峰值的地方减小进给速度，最终减小切削力的突变，实现稳定加工过程。

面A优化前后铣削力仿真结果对比，如图4所示。从图中可以看出，优化切削参数后的铣削力相比于优化前更加均衡平稳，原始力信号中的几处明显突变消失，优化后的切削力峰值变化较小，切削过程更加稳定，同时加工时间缩短，加工效率提高。为了进一步验证PM软件优化的可行性与正确性，对面B与面C进行了同样的切削过程仿真与工艺优化，优化前后的切削力仿真结果，如图5所示。其中，一种曲线代表优化前切削力随时间的变化情况，另一种曲线代表优化后的切削力变化值。从图中可以明显看出，无论是面B还是面C铣削时，优化后的切削力相比于优化前总是更加平稳，切削力峰值显著降低，这意味着切削过程中刀具受到的冲击显著减小，刀具寿命提高，切削更加平稳。

图5 面B与面C优化前后切削力仿真结果Fig.5 Cutting Force Simulation Results before and after Optimization of Face B and C

变速箱箱体面铣削优化前后采用的切削参数以及加工时间的对比，如表1所示。分析可得，通过仿真优化后的进给速度上限显著提升，同时优化后的加工时间相比优化前缩短，计算可得加工效率最终可提高8%。

表1 优化前后加工参数及时间对比Tab.1 Processing Parameters and Time Comparison before and after Optimization

3.2 电磁阀阀体深孔铰削过程仿真与工艺优化

电磁阀阀体深孔铰削仿真模型与毛坯，如图6所示；仿真中工件材料设置为美标铸铝Al383，刀具直径为ϕ14.2mm，刀具材料为硬质合金，前后角分别为0°和15°。将阀体毛坯三维模型、加工NC代码、刀具几何参数导入PM软件，完成工艺仿真环境配置后，即可对阀体铰孔加工过程进行仿真。根据实际生产加工工艺，该刀具一次装夹需完成两个对称孔的铰削加工，余量及加工参数完全相同，故选择其中一个孔进行仿真分析。依照实际生产中所采用的参数，选取的各阶段仿真参数，如表2所示。

图6 阀体仿真模型与材料参数选择Fig.6 Valve Body Simulation Model and Material Parameter Selection

表2 铰孔各阶段切削参数Tab.2 Cutting Parameters of Each Stage of Reaming

铰孔过程中随时间变化的切向力与径向力仿真结果，如图7所示。从图中可以得到铰孔加工前大部分时间切削较为平稳，切向切削力大小为（200～250）N，而随着铰孔深度的增大，在铰孔至最深处切向切削力发生突变，达到945.1N，这种突变会对刀具切削刃产生较大冲击，同时会对刀具产生较大的瞬时扭矩，容易导致刀具折断。软件仿真得到的铰刀所承受的径向力，与前面切向力变化规律一致，在铰孔过程的前面部分，径向力变化较为平稳，数值在（75～100）N，在切削结束阶段，刀具受到的径向力存在突变，最大达到432.2N，而径向力的突变则会给刀具产生较大的弯矩，导致刀具折断。

图7 仿真力结果Fig.7 Result of Simulation Force

仿真得到的机床主轴功率与扭矩变化曲线，如图8所示，可以看出在铰孔加工过程中切削力的突变点处，机床主轴的功率和扭矩取得最大值，分别为2.83kW和3.38N·m。分析以上仿真结果可知，当铰刀加工到孔的底部时，切削力发生突变，使刀具短时间内承受较大的突变载荷，刀具所受弯矩和扭矩都大幅度增加。对比实际加工工艺可知，铰刀加工前毛坯孔为一锥度孔，除去入口处加工的先导孔，其内径随深度增大而逐渐减小，故铰刀实际切削宽度随轴向进给增大而逐渐增大，对应前阶段切削力逐渐平稳慢速增加的过程，在铰孔至最深时的切削阶段，即D点到E点（参考图6毛坯示意图），由于铰刀要钻破孔壁，切削宽度存在突变，最大切削宽度达到刀具直径，远远大于之前切削宽度，因此切削力存在突变，从而证实了图7与图8的仿真结果。同时从表2可以看出，D点到E点过程中，在实际加工生产中，为了降低切削力，刀具进给速度从1920mm/min降低到1280mm/min，但进给速度降低的幅度仍不够，使得最终铰刀钻出过程切削力和扭矩要远大于正常切削阶段，严重影响刀具寿命。因此，可以看出在电磁阀阀体深孔铰削时，不合理的加工参数与刀具设计所引起的较冲击和瞬时力矩是引起断刀的主要原因。

图8 主轴功率与扭矩结果Fig.8 Results of Spindle Power and Torque

4 实验验证

在实际变速箱箱体生产线上针对铣削面A、面B和面C设计实验，分别采用PM仿真优化前以及优化后的切削参数，两种参数下进行了多次切削。采用优化后的切削参数在时间节拍上提高了7%左右。切削力、切削功率和扭矩与仿真的结果存在一定的误差，但在切削参数优化后零件的加工表面质量和刀具的使用情况与优化前相比有了较好的提升。在电磁阀阀体的深孔铰削工艺中刀具的断刀情况也得到了改善。

5 结论和展望

基于PM软件对汽车关键零部件变速箱和电磁阀的切削加工过程进行了仿真，结果表明在变速箱箱体面铣削时，加工过程中改变进给速度，实现变进给加工可有效减小加工过程中力的峰值，减少刀具冲击，从而提高刀具寿命，降低成本。同时，通过PM仿真与优化，发现优化后的程序可使得变速箱箱体加工效率提高8%。针对电磁阀阀体深孔铰削，不合理的加工参数与刀具设计在加工即将结束时会引起较大的切削力波动，机床主轴功率与扭矩显著增大，此时刀具承受扭矩与弯矩明显提高，易造成断刀。

用工艺仿真软件辅助进行加工状态分析，可以大大提高分析计算效果，同时减少时间成本。但由于实际实验中仍存在一些不可去除的干扰因素，因此软件仿真结果与真实实验结果会存在一些偏差，故有待进一步的实验验证与深入研究分析，综合考虑各种因素如模型的构造、仿真参数的合理设置、数据的处理等问题。