超声振动辅助钻削P20轴向力与入口边缘质量性能研究

吴志强,张卫锋,张灿祥

(青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛 266061)

P20模具钢具有硬度均匀、抛光性能与光蚀刻花性能好的优异特点[1-2],因而能在热塑模、拉伸模、吹塑模等模具制造领域广泛使用[3-4]。在针对P20的孔加工中,使用传统钻削方法,会出现切削力较大、入孔边缘质量较差的问题,限制了P20 的工程应用[5]。针对这些问题,本研究采用超声振动辅助钻削对P20进行孔加工,它是在传统钻削基础上对刀具施加超声频振动,刀具运动形式变成高速旋转、轴向高频振动与进给的合成[6-7],改变了钻削机理[8],是一种全新的工艺特性和加工特征[9]。

本研究使用Deform-3D 对超声振动辅助钻削P20的过程进行仿真,设计对比、单因素以及不同冷却剂的仿真实验,分析轴向力的变化;通过搭建50 k Hz的超声振动辅助钻削实验平台开展实验,并通过仿真结合实验对比验证的形式研究超声振动辅助钻削P20的工艺特性。

1 有限元模型的建立

Deform-3D 是一个强大的过程模拟系统[10],适于模拟复杂的钻削过程,能有效预测材料变形过程中发生的各种变化,且不需成本[11]。仿真过程包括前处理,模拟计算和后处理[12]。

1.1 建立几何模型和材料属性定义

使用Deform-3D 自带的工具模块创建麻花钻和工件的几何模型[13]。把钻刀定义成刚性体,工件是塑性体。定义麻花钻刀具为硬质合金,工件材料为P20,本构关系为J-C模型[14],表达式如下。

1.2 划分网格,定义接触和施加运动

在Deform-3D 中,对工件用绝对网格划分,而对麻花钻刀具则用相对网格划分。工件和刀具的网格划分图如图1所示。

刀具定义成主要对象,工件为从属对象。设置剪切摩擦类型,摩擦系数设成0.6。建立一个工件之间的自接触,以防止切屑接触到工件。

固定工件侧面,设置刀具进给速度的方向为Z轴负向,并绕Z轴旋转。刀具振动进给的位移和速度是一个周期性的函数[15-16],公式为

式(2)中:Z为位移;fz为进给量;n为转速;t为时间;A为振幅;f为频率。

对时间t求导,得刀具速度公式:

刀具向Z轴负向进给的同时,沿Z轴做正弦型函数的振动。

在MATLAB 中把时间设成t=0.02 s,每隔0.000 002 s计算出1个函数值,MATLAB 根据刀具速度公式计算出超声振动辅助钻削0.02 s时间段内各个时间点的进给速度,所得数据导入Deform-3D 中,完成对刀具进给速度的施加,以模拟刀具的超声振动进给过程。

2 仿真实验设计与分析

2.1 两种钻削加工的对比仿真实验

保持主轴转速和进给速度相同,设计普通钻削与超声振动辅助钻削的对比实验。仿真实验参数如表1所示。

表1 两种钻削加工方式的对比仿真实验参数Table 1 Comparison simulation experiment parameters of two kinds of drilling processing methods

图2 所示为两种钻削方式下轴向力的变化趋势。从图2中可看出,随着刀具切削深度的增加,轴向力不断增大,在某些时间点,轴向力发生突变,这是因切屑的断裂或者是工件网格产生了畸变,导致软件进行网格重划分[17]。

图2 两种钻削加工方式下轴向力的变化趋势Fig. 2 Variation trend of axial force of two kinds of drilling methods

对比两种钻削方式下轴向力的变化趋势,可以看出,普通钻削下轴向力变化趋势是连续不断的,这是因为普通钻削下刀具与工件是连续接触、挤压以及切削[18];超声振动辅助钻削下轴向力为波动式变化,当刀具接触工件时,轴向力上升并达到一个局部峰值,当刀具与工件分离时,轴向力下降,最后趋近于零。这是因为超声振动辅助钻削不再是连续冲击接触,而是周期性的,刀具与工件处于周期性接触和分离的状态[18],使得轴向力曲线是周期性变化的。

从Deform-3D 中导出数据,求出平均值,并绘制成柱状图,如图3所示。

图3 两种钻削加工方式下平均轴向力柱状图Fig. 3 Bar chart of average axial force under two kinds of drilling processing methods

从图3可以看出,与普通钻削加工相比,超声振动辅助钻削的平均轴向力下降了46%。因此,超声振动辅助钻削在减小轴向力方面起到较好效果[19]。

2.2 主轴转速对轴向力影响的仿真实验

选择相同的进给速度和振幅,进给速度选择0.05 mm·r-1,振幅选择4μm,不同主轴转速。

平均轴向力的模拟结果如图4所示。从图4可看出,轴向力的变化趋势随主轴转速的提高而减小,但主轴转速对轴向力的影响不明显,变化微小。

图4 不同转速下的平均轴向力柱状图Fig. 4 Bar chart of average axial force at different rotational speeds

2.3 进给速度对轴向力影响的仿真实验

选择相同的主轴转速和振幅,主轴转速选择4 800 r·min-1,振幅选择4μm,不同进给速度下平均轴向力的模拟结果如图5所示。

图5 不同进给速度下的平均轴向力柱状图Fig. 5 Bar chart of average axial force at different feed speeds

从图5中可看出,随着进给速度的增大轴向力也增大,且轴向力受进给速度的影响较大。

2.4 不同冷却剂对轴向力影响的仿真实验

选择空气、油基和水3 种冷却剂进行仿真,在Deform-3D 中输入不同的热对流系数即可模拟不同冷却剂对轴向力的影响[20]。仿真实验参数如表2所示。

表2 不同冷却剂下的仿真实验参数Table 2 Simulation experimental parameters under different coolants

仿真结果的平均轴向力如图6所示。从图6可看出,空气冷却条件下的轴向力最大,油基冷却条件下的轴向力最小,其原因是油基冷却剂比空气和水的润滑效果好,在加工中通入油基具有较好的润滑作用,减小了刀具与工件之间的接触受力,从而减小轴向力。

图6 不同冷却剂下的平均轴向力柱状图Fig. 6 Bar chart of average axial force under different coolants

3 钻削P20的轴向力实验

3.1 实验台搭建

实验台包括立式加工中心、安装在上面的超声波辅助加工装置Micro Man-S4和工装测力系统。实验平台的主要部分如图7所示。

图7 实验平台的主要部分Fig. 7 Main parts of the experimental platform

3.2 两种钻削加工的对比实验

保持相同加工参数和加工条件,转速为4 800 r·min-1,进给速度是20 mm·min-1,通过打开及关闭超声控制器,以此来实现对P20的超声振动辅助钻削和普通钻削,使用工装测力系统测量轴向力。实验参数如表3所示。

表3 两种钻削加工方式实验参数对比Table 3 Comparative experimental parameters of two kinds of drilling processing methods

将测得的轴向力的数据导出,使用Origin软件绘制出图8所示的变化曲线。由图8可看出,超声振动辅助钻削下的轴向力的波动程度大于普通钻削,这一结论与仿真所得结论是一致的。

图8 两种钻削加工实验下轴向力的变化曲线Fig. 8 Variation curves of axial force of two kinds of drilling experiments

两种钻削加工方式下轴向力的平均值见图9。

图9 两种钻削加工实验下的平均轴向力Fig. 9 Average axial force under two kinds of drilling experiments

从图9可知,超声振动辅助钻削的平均轴向力比普通钻削减少了30%。实验和仿真的变化趋势是一致的,但仿真结果的平均轴向力减少46%,与实验有一定误差,其原因是:仿真条件较理想,实验受外界环境影响;工装中的零部件在钻削过程中有较大振动,与主轴的振幅有一定程度抵消;测力传感器信号存在测量误差。

根据前人理论与本实验研究对超声加工减小轴向力的原因进行分析。

1) 从平均未变形切屑厚度上分析。平均未变形切屑厚度have的公式是:

其中fv是进给速度,dR是切削径向宽度,θ是接触作用区扫描角,N是有效齿数,n是主轴转速。超声加工下have的公式变成:

式(5)～(6)中Vvmax是刀具振动速度的最大值,Vc是普通钻削时的切削速度,实际切削速度是两者的叠加。从式(4)～(7)中可知在超声加工下引入一个正弦值使平均未变形切屑厚度数值减小,进而使轴向力减小。

2)超声加工中,刀具高频振动,在碰触工件瞬间,获得最大冲击加速度amax和最大冲击力F:

在巨大的冲击力下工件材料瞬间变形破坏而变成切屑。超声加工可使工件弱化,使材料抵抗破坏的阻力减小,进而降低切削力。

3) 普通切削下刀具是正交切削,加上超声后刀具变成斜切的切削形式并出现一个倾角,倾角越大,轴向力减少更明显。

3.3 主轴转速对轴向力影响的实验

选择相同的进给速度和振幅,进给速度选择20 mm·min-1,振幅选择4μm,不同主轴转速下轴向力变化曲线图如图10所示。对每组实验数据求平均值如图11所示。

图10 不同转速下轴向力的变化Fig. 10 Changes of axial force under different rotational speeds

图11 不同转速下的平均轴向力柱状图Fig. 11 Bar chart of average axial force under different rotational speeds

从图10中可看出,随着转速的增加,轴向力有下降趋势,与仿真的变化趋势相同。从图11中可以看出,当转速从2 400 r·min-1增加至3 600 r·min-1时,轴向力的下降幅度最大,继续增加转速,轴向力变化幅度逐渐减小。分析可知,转速增高使切削速度变大,对抗材料断裂的力相应变大,继续加大转速,就会大于其断裂强度,工件的切削未变形面积减少,进而使切削力下降。当转速增加到一定值后,切削变形面积变大的幅度减小了,使切削力缓慢下降。

3.4 进给速度对轴向力影响的实验

保持主轴转速和振幅不变,主轴转速为4 800 r·min-1,振幅为4μm,不同进给速度下轴向力变化曲线图如图12所示。对每组实验求平均值如图13所示。

图12 不同进给速度下轴向力的变化Fig. 12 Changes of axial force under different feed speeds

图13 不同进给速度下的平均轴向力柱状图Fig. 13 Bar chart of average axial force under different feed speeds

从图13看出,随着进给速度增加,轴向力大幅度增加,与仿真的变化趋势相同。相较于主轴转速,进给速度对轴向力的影响程度更大。分析原因可知:进给速度增加会使刀具的每转进给量增加,即刀具与工件的接触面积变大,切削未变形面积变大,使得轴向力急剧增大。

3.5 不同冷却剂对轴向力影响的实验

机械加工中,施加冷却剂是较为重要的,它可以起到冷却,润滑,清洗等作用[21]。实验选用普通钻削加工,研究冷却剂对轴向力的影响。主轴转速为4 800 r·min-1,进给速度为20 mm·min-1,在室温下不同冷却剂对轴向力的影响见图14。对各组实验求平均值如图15所示。

图14 不同冷却剂类型下轴向力的变化Fig. 14 Axial force under different coolant type changes

图15 不同冷却剂类型下的平均轴向力柱状图Fig. 15 Bar chart of mean axial force for different coolant types

从图15中可以看出,使用乳化液冷却时轴向力整体趋势最小,空气冷却最大,水冷时次之。乳化液中含有基础油,所以该实验与仿真中的参数基本相同,实验与仿真的结果相同。根据两者的结论可知,在实际的孔加工中,应该首先选用油基类型冷却剂。良好的冷却条件可减少刀具的受力,获得良好的孔加工质量。

4 入孔形貌

在孔加工中,孔的入口边缘经常出现破碎或毛刺的情况,影响孔的质量[22]。本节基于上述实验,通过能放大50倍的基恩士(KEYENCE)形状测量激光显微系统,观察入孔边缘质量。

4.1 两种加工方式对入孔边缘质量的影响

普通钻削和超声振动辅助钻削,两种加工方式下的入孔形貌如图16所示。从图16中可以发现,超声振动辅助钻削的孔相比于普通钻削,边缘质量得到改善。这是因为刀具做超声频振动,具有较大的加速度,每次进给的冲击力较大,材料的未变形面积减少,使得入孔边缘的裂纹减小。

图16 两种钻削加工方式下的入孔边缘形貌Fig. 16 Inlet edge morphologies under two kinds of drilling

4.2 主轴转速对入孔边缘质量的影响

图17所示为4组转速下的入孔形貌特征。从图17中可以看出,转速是2 400 r·min-1时,孔的边缘质量较差。其原因是刀具轴向进给的压力以及超声振动的冲击力,在钻削过程中所占比例大,刀具侧刃的切削作用不明显,使得入孔边缘破碎情况严重。当转速增大至4 800 r·min-1后,高速旋转的侧刃切削能力变强,边缘破碎情况减小。当转速增大至6 000 r·min-1,边缘质量又变差,边缘破碎尺寸变大,原因是加工中心有一定转速范围,转速接近极限转速时,会使主轴回转精度下降,导致入孔破碎尺寸变大。

图17 不同转速下入孔边缘形貌特征Fig. 17 Morphological characteristics of inlet hole edges under different rotational speeds

4.3 进给速度对入孔边缘质量的影响

图18所示为4组进给速度下的入孔形貌特征。

图18 不同进给速度下入孔边缘形貌特征Fig. 18 Morphologic characteristics of hole edges under different feed rates

从图18中可以看出,随着进给速度的增加,孔的入口边缘破碎范围增加,进给速度为80 mm·min-1时,孔边缘呈现出不连续形态。其原因是进给速度的增加使刀具与工件的接触面积变大,材料的去除包括超声振动对工件的冲击和刀具的切削刃切削材料。超声振动对工件的冲击产生了大量微小裂纹,切削刃负责切除,使切屑掉落。当进给速度增大的时候,会使刀具向下的位移增大,压力超过P20能承受的最大压力时,微小裂纹就会变大,直到压溃,出现入孔边缘质量差的现象。

4.4 冷却剂类型对入孔边缘质量的影响

选择空气,水和乳化液3种冷却方式研究入孔边缘质量。实验得到的入孔形貌如图19所示。从图19中可知,在空气冷却的情况下入孔边缘质量较差,水冷次之,而乳化液冷却的条件下入口边缘质量最好。因此,实际加工中应首选乳化液冷却。

图19 不同冷却剂下的入孔边缘形貌特征Fig. 19 Morphology characteristics of inlet edge under different coolants

5 结论

通过仿真和实验,研究了超声振动辅助钻削P20的工艺特性,结论如下:

1)相比普通钻削,超声振动辅助钻削可有效减小轴向力,而且可以得到较好的入孔边缘质量。综合比较,超声振动辅助钻削比普通钻削更优。

2)通过单因素实验得出,随着主轴转速的增加,轴向力呈现出下降趋势,而随着进给速度的增加,轴向力呈现上升的趋势;入口边缘质量随着主轴转速的增大,出现先变好后变差的情况,而随着进给速度的增加出现变差的趋势。

3)从不同冷却剂的实验中得出,与空气和水冷却相比,乳化液冷却条件下,可以获得更小的轴向力,能改善入孔边缘质量。