| |
|
|
|
|
|
| |
| 沈陽(yáng)車(chē)床高鉻鑄鐵的切削用量?jī)?yōu)化計(jì)算 | | 發(fā)布者：admin 日期：2012/5/8 點(diǎn)擊：349 | | |
|
高鉻鑄鐵的切削用量?jī)?yōu)化計(jì)算
|
|
發(fā)布時(shí)間： 2012-5-7 14:01:02 來(lái)源：優(yōu)客機(jī)床網(wǎng)
|
|
|
高鉻白口鑄鐵是一種具有很高硬度和強(qiáng)度的抗腐耐磨材料，其抗拉強(qiáng)度為650～850MPa，鑄態(tài)硬度為HRC48～55，淬火硬度為HRC55～62。但這種材料又硬又脆，切削狀態(tài)極不平穩(wěn)，如果不能很好地解決切削加工問(wèn)題，其應(yīng)用將會(huì)受到很大的限制。試驗(yàn)表明，用硬質(zhì)合金刀具加工高鉻鑄鐵，刀具磨損極快，切削容易形成崩脆切削，表面粗糙度大，只能用于一般的粗加工。對(duì)于高鉻鑄鐵的精加工，用陶瓷刀具可以取得較低的粗糙度。但是陶瓷刀具的抗沖擊能力較弱，對(duì)于切削高鉻鑄鐵這種脆性材料更容易受到?jīng)_擊，引起崩刃等刀具的破壞。由于陶瓷刀具價(jià)格較貴，應(yīng)盡量避免被破壞，因此正確合理地選擇切削用量是避免刀具發(fā)生沖擊崩刃破壞的有效途徑。本文在考慮刀具動(dòng)態(tài)強(qiáng)度經(jīng)濟(jì)性的條件下，對(duì)用復(fù)合陶瓷刀具車(chē)削高鉻鑄鐵渣漿閥門(mén)閥板零件外圓的切削用量進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。
1 切削溫度對(duì)復(fù)合陶瓷刀具動(dòng)態(tài)性能的影響切削溫度對(duì)刀具動(dòng)態(tài)性能的影響，主要表現(xiàn)在對(duì)刀具材料機(jī)械性能的影響及切削溫度場(chǎng)產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力。
溫度對(duì)復(fù)合陶瓷刀具機(jī)械性能的影響
復(fù)合陶瓷的物理機(jī)械性能在一般情況下，都隨切削溫度的升高而降低。試驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，加工鋼鐵零件時(shí)，復(fù)合陶瓷刀具的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)與溫度有下列經(jīng)驗(yàn)公式
sbt=sbo(1-bt) (1) sst=ssoexp(1-ct) (2) Et=Eoexp(-dt) (3) Ht=Ho(1-kt) (4) 式中：sbt，sst，Et，Ht分別為復(fù)合陶瓷刀具在溫度為t時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服極限、彈性模量和硬度：sbo，sso，Eo，Ho分別為常溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服極限、彈性模量和硬度：b、c、k、d為試驗(yàn)確定的常數(shù)。
切削溫度場(chǎng)產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力
在連續(xù)車(chē)削加工中，當(dāng)切削用量及外部環(huán)境條件不變時(shí)，可以認(rèn)為在刀具前后刀面上作用有穩(wěn)態(tài)熱源，刀具上的切削溫度場(chǎng)可以采用三維熱傳導(dǎo)的有限元法計(jì)算。
由于刀具是在彈性范圍內(nèi)工作，因此由溫度引起的附加熱應(yīng)力為
st=at(t-t0)E (9) 式中：t0為無(wú)應(yīng)力時(shí)的溫度：at為復(fù)合陶瓷的線膨脹系數(shù)。2 復(fù)合陶瓷的動(dòng)態(tài)應(yīng)力及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度對(duì)復(fù)合陶瓷刀具的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，采用三維有限元法計(jì)算，模型如圖1。切削力Fz作用在切削刃中部，單元采用八節(jié)點(diǎn)三維塊體元，刀具與刀體接觸邊為彈性約束，其余為自由邊。計(jì)算此條件下的最大應(yīng)力與一般固體力學(xué)的求解方法完全相同，但考慮到溫度的影響，對(duì)每個(gè)單元有
(10) 以此組方程構(gòu)成彈性陣，進(jìn)行有限元求解，可得刀具在切削力與溫度場(chǎng)共同作用下的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力smax，若陶瓷刀具在前刀面溫度為t時(shí)的強(qiáng)度為[st]，則其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度條件為
smax≤[st] (11) 圖1 應(yīng)力等值圖
圖2 計(jì)算框圖
3 復(fù)合陶瓷刀具材料切削用量的優(yōu)化計(jì)算目標(biāo)函數(shù)
切削用量的優(yōu)化計(jì)算是以加工成本為目標(biāo)函數(shù)，生成一個(gè)零件主要包括下列費(fèi)用：
材料費(fèi)用(Cc)構(gòu)成一個(gè)零件毛坯的費(fèi)用：
機(jī)床費(fèi)用(Cj)機(jī)床單位工時(shí)費(fèi)用，包括機(jī)床的折舊費(fèi)等：
工裝費(fèi)用(Cg)生產(chǎn)工人及管理與輔助人員的單位工時(shí)工資：
換刀及磨刀費(fèi)用(Cd)生產(chǎn)一個(gè)零件的總費(fèi)用為 Cw=Cc+(Cj+Cg)(tz+tj)+Cdtj/T (12) 式中：tz為準(zhǔn)備時(shí)間：tj為有效切削時(shí)間：T為刀具耐用度，單位皆為min。由泰勒公式計(jì)算 T=CV+V-1/mf-1/nap-1/p (13) 基本切削時(shí)間為
tj=kV(Vfap) (14) 上兩式中：CV為常數(shù)：ap為余量。將式(13)、式(14)代入式(12)得 Cw=Cc+tzCm+kvCm/(Vfap)+kvCd/[CVf(-1/n)+V(1-1/m)ap(1-1/p)] (15) 式中：Cm=Cj+Cg。式(15)即為刀具切削用量?jī)?yōu)化計(jì)算的成本目標(biāo)函數(shù)。
約束函數(shù)
切削用量?jī)?yōu)化計(jì)算的約束函數(shù)主要有以下幾個(gè)方面：
切削用量取值約束。若機(jī)床的切削速度，進(jìn)給量的取值范圍為(Vmax，Vmin)，( fmax，fmin)，則有下面的約束函數(shù) G1(f，V)=V-Vmax≤0 (16) G2(f，V)=Vmin-f≤0 (17) G3(f，V)=fmax-f≤0 (18) G4(f，V)=f-fmax≤0 (19) 精度約束。若給定的表面粗糙度為Ra，則有約束函數(shù) G5(f，V)=f-(8Rar)?≤0 (20) 機(jī)床功率約束。若機(jī)床的許用功率為p，則有下面的約束 G6(f，V)=VFz1+zfFzy-p/CFzaKFz≤0 (21) 刀具耐用度約束 G7(f，V)=V1/mf1/nap1/p-CV/T0≤0 (22) 上面各式中，XFz，yFz，KFz，CFz為試驗(yàn)常數(shù)。
刀具動(dòng)態(tài)強(qiáng)度約束函數(shù)
G8(f，V)=smax-st≤0
smax為切削用量通過(guò)有限元計(jì)算的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
優(yōu)化計(jì)算
由于刀具的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力是用有限元計(jì)算的，沒(méi)有定量的解析函數(shù)。在優(yōu)化計(jì)算中無(wú)法引入約束函數(shù)G8，因此在計(jì)算中我們先不考慮G8，優(yōu)化出一組切削用量，再根據(jù)此組優(yōu)化切削用量，用有限元法計(jì)算刀具的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力。如滿足動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，則此切削用量為最優(yōu)，如不滿足，則減小切削用量直到滿足動(dòng)態(tài)強(qiáng)度為止，此時(shí)得到的切削用量參數(shù)為最合理的切削用量。計(jì)算框圖如圖2。
圖3 刀具幾何尺寸 4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)原始參數(shù)
機(jī)床：CA6140，轉(zhuǎn)速范圍，N=12～1200r/min，進(jìn)給量范圍f=0.08～1.59mm/r，功率P=7.5kW。
刀具：AG2復(fù)合陶瓷，力學(xué)參數(shù)：e=4550kg/m2，導(dǎo)熱系數(shù)為22.93W/m·k，熱膨脹系數(shù)a=8×10-6(℃)-1，抗彎強(qiáng)度sb=800MPa，彈性模量E=420GPa，柏松比μ=0.24，硬度HV2400。
幾何參數(shù)：g0=-5°，a0=12°，ls=-6°，負(fù)倒棱30°，寬為1mm，刀尖半徑r=1mm，尺寸如圖3所示。
工件：渣漿閥，表面粗糙度Ra=1.6，材料為新型鉻高白口鑄鐵，強(qiáng)度680～800MPa，直徑300mm，厚度40mm，單邊余量3mm。
經(jīng)濟(jì)參數(shù)：機(jī)床費(fèi)用，Cm=Cj+Cg=42元/min，換刀及磨刀費(fèi)用Cd=4.8元。準(zhǔn)備時(shí)間tz=1.5分，Cc=130。(以上參數(shù)為武漢海聯(lián)機(jī)械廠提供)。
其他參數(shù)：m=0.23，n=0.57，p=1.33
耐用度T0=60min，h=0.75，zFz=0.15，CFy=244，CFz=436，CV=2.28×103，xFy=0.9，yFy=0.55，zFy=0.3(以上參數(shù)為A.K.Cnattopadnyay所著《陶瓷刀具在切削鑄鐵及鋼料時(shí)的磨損特性》和試驗(yàn)所得)。
優(yōu)化計(jì)算
將上述參數(shù)代入目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)可得成本目標(biāo)函數(shù)為 CW=136.3+332.506V-1f-1+2.229V×4f0.75 (23) 各約束函數(shù)為 G1(f，V)=V-565≤0 (24) G2(f，V)=0.565-V≤0 (25) G3(f，V)=0.08-f≤0 (26) G4(f，V)=f-1.59≤0 (27) G5(f，V)=f-0.113≤0 (28) G6(f，V)=V0.85f0.75-49.5≤0 (29) G7(f，V)=V5f1.75ap0.75-2.27×1011≤0 (30) 用monte-Cono算法計(jì)算可獲得最小成本切削用量為V=109.8m/min，f=0.1mm/r。在此切削用量下用有限元計(jì)算溫度場(chǎng)見(jiàn)圖1，由經(jīng)驗(yàn)公式可知，此時(shí)作用在刀具上的集中力為
Fz=436×2×0.10.75×109.8-0.15=92.016kg
Fy=244×20.9×0.10.6×109.8-0.3=29.28kg
用有限元法計(jì)算切削力Fz、Fy及溫度場(chǎng)共同作用下的應(yīng)力如圖2 所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出刀具動(dòng)態(tài)強(qiáng)度滿足要求。切削速度V=109.8m/min，進(jìn)給量f=0.8mm/r為最優(yōu)化用量。
試驗(yàn)結(jié)果
在CA6140 車(chē)床上用V=109.8m/min，f=0.8mm/r 車(chē)削高鉻白口鑄鐵渣漿閥閥板外圓無(wú)崩刃損壞，耐用度(VB=0.1mm時(shí))達(dá)65分。而原先用V=142m/min，f=0.2mm/r時(shí)發(fā)生崩刃。5 結(jié)束語(yǔ)采用有限元法對(duì)刀具在切削溫度場(chǎng)和切削力共同作用下的溫度場(chǎng)計(jì)算是可行的。考慮應(yīng)力對(duì)刀具強(qiáng)度的影響，對(duì)陶瓷刀具切削高鉻白口鑄鐵的切削用量進(jìn)行優(yōu)化即保證切削加工成本最低，又不會(huì)產(chǎn)生崩刃破壞，無(wú)疑是經(jīng)濟(jì)的。
|
| | | | [返回] [打印] |
|
|
