基于deform仿真對(duì)深孔鉆加工的優(yōu)化改造

孔加工是一種重要的加工方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前孔加工約占機(jī)加工總時(shí)間的36%?？准庸な且粋€(gè)隱蔽的過(guò)程，其切削工藝也很復(fù)雜，集金屬擠壓、金屬切削以及金屬磨光三種工藝于一體，在切削中會(huì)形成高推力、高扭矩、高溫度。孔加工是最復(fù)雜和最有可能出問題的金屬切削工藝之一，而深孔鉆削是則是孔加工中最難的一種類型。

1 工藝分析

柳州某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造部生產(chǎn)鑄鐵類缸體產(chǎn)量達(dá)80萬(wàn)臺(tái)/年，孔加工占所有加工內(nèi)容的近80%。該工廠深孔鉆均采用高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給的高速切削工藝，單件成本較普通鉆頭高2-3倍。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)該企業(yè)機(jī)加工車間缸體線二期M3/4 OP110工位加工B系類某機(jī)型產(chǎn)品時(shí)，515#孔過(guò)程多次出現(xiàn)T22077刀具崩刃事件，引起工件質(zhì)量不合格，515#孔直徑超上差。

查詢PFMEA可知直徑超上差潛在失效模式分別為：①影響下一工序：螺紋螺牙淺，油堵擰緊扭力不合格，最終試漏不合格，導(dǎo)致零件報(bào)廢；②影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線：油壓開關(guān)裝配扭力不合格，裝配試漏不合格；③發(fā)動(dòng)機(jī)漏油：影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能。

對(duì)515#分析可知，孔深與孔徑之比為16，是典型的深孔加工。深孔鉆作為機(jī)械加工中的難題，主要表現(xiàn)為：刀具懸伸長(zhǎng)，加工容易產(chǎn)生震動(dòng)，目前機(jī)械加工中多數(shù)鉆頭都是用硬質(zhì)合金，該材料硬且脆，機(jī)床輕微的震動(dòng)都會(huì)引起刀具斷刀；深孔鉆削屬于半封閉加工，在鉆孔孔過(guò)程中排屑困難，在加工中極易出現(xiàn)切屑阻塞造成刀具損壞；深孔加工散熱困難。

515#孔加工為兩刀加工，在同一工位先由T22075預(yù)鉆，預(yù)鉆孔深16mm，直徑8.13mm。預(yù)鉆后由T22077在預(yù)鉆孔的基礎(chǔ)上繼續(xù)加工，孔深133mm，直徑8.1mm，完成515#孔加工。

（1）預(yù)鉆孔工藝
目前深孔鉆加工通用工藝為預(yù)孔+深孔鉆。對(duì)鑄造毛坯面鉆孔加工時(shí)，為保證鉆尖定心良好，需要先銑出一個(gè)小平臺(tái)，再進(jìn)行預(yù)孔鉆，預(yù)鉆孔示意圖見圖1。預(yù)孔鉆的主要目的是保證深孔鉆較好的定心，保證鉆孔的位置度。當(dāng)深孔鉆進(jìn)入引導(dǎo)孔時(shí)，鉆頭的側(cè)面會(huì)受到一定支撐，因此在深孔鉆鉆削過(guò)程中，徑向方向受到約束，不易抖動(dòng)，提高了鉆削的穩(wěn)定性。



圖1 預(yù)鉆孔示意圖

如圖4所示，T22075預(yù)鉆孔僅為深孔鉆作支撐作用，深孔鉆不參與引導(dǎo)孔的加工，因此，預(yù)鉆刀具比深孔鉆頭直徑大0.03mm（工藝孔直徑8.1mm，預(yù)鉆孔直徑8.13mm）；為保證深孔鉆橫刃先接觸工件，而不是兩側(cè)的鉆尖先接觸，將預(yù)鉆鉆尖角度設(shè)計(jì)比深孔鉆大5°（預(yù)鉆鉆尖125°，深孔鉆鉆尖120°）。

（2）深鉆工藝

當(dāng)預(yù)鉆孔加工完成后，隔一把刀具進(jìn)行深孔加工，深孔加工示意圖見2。該類工藝設(shè)計(jì)可有效規(guī)避當(dāng)預(yù)孔鉆異常斷刀時(shí)，直接深孔加工帶來(lái)的后續(xù)刀具損傷。當(dāng)前該發(fā)動(dòng)機(jī)工廠在用T22077為TiALN涂層的硬質(zhì)合金鉆頭，查詢刀具推薦樣本可知，該刀具加工鑄鐵件推薦值為0.12-0.15mm/z?，F(xiàn)有參數(shù)為F=450mm/min，S=3000r/min，實(shí)際每齒進(jìn)給0.075mm，滿足樣本推薦值。TiAlN涂層化學(xué)穩(wěn)定性好，具有高熱硬性、極佳抗氧化性、耐磨耗等特點(diǎn)，可滿足鑄鐵件高速加工。



圖2 深孔鉆示意圖

2 切削仿真

515#孔加工工藝特征為交匯孔加工，且非垂直相交，即加工時(shí)零件背面為斜面，破壁后鉆尖完全出孔前，鉆尖存在單邊受力，加工示意圖見圖3。



圖3 515#孔加工示意圖

為更確切地掌握加工過(guò)程中刀具的受力狀態(tài)，對(duì)加工過(guò)程運(yùn)用Deform軟件進(jìn)行模擬仿真，建立斜面零件模型，將材質(zhì)設(shè)置為與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)鑄鐵屬性接近的牌號(hào)，依據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速、進(jìn)給（F=450 mm/min，S=3000r/min）進(jìn)行切削仿真，切削仿真受力分析見圖4。由圖可知，在高速條件下，鉆尖破壁瞬間，刃口受力突變，該突變極易導(dǎo)致鉆尖崩刃，崩刃后后續(xù)工件加工時(shí)刀尖豁口處受力異常導(dǎo)致加工震動(dòng)引起孔徑變大。仿真結(jié)果表明，消除破壁瞬間的受力突變將會(huì)消除崩刃刀具異常震動(dòng)導(dǎo)致的孔徑超差。



圖4 deform切削仿真受力分析

調(diào)取排屑性能更好的鉆尖120°麻花鉆，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化鉆頭前、后角均未能有效消除破壁瞬間受力突變問題。圓頭鉆在穿破斜面是能有效消除單邊受力及應(yīng)力突變問題，為驗(yàn)證其有效性，在三維數(shù)模中將鉆頭鉆尖形式優(yōu)化為圓形，保持麻花鉆及原有刀具前后角，同等工況下切削，輸出受力情況見圖5。



圖5圓形鉆頭切削仿真受力分析

3 優(yōu)化效果

結(jié)合理論分析，2016年2月申請(qǐng)TCR對(duì)該刀具進(jìn)行改造驗(yàn)證，將原有120°鉆尖優(yōu)化為圓形鉆尖，如圖6所示。驗(yàn)證期間刀具均未發(fā)生崩刃現(xiàn)象，將耐用度后期刀具放顯微鏡下觀察，刃口磨損較小，連續(xù)跟蹤6個(gè)月，統(tǒng)計(jì)未發(fā)現(xiàn)批量515#孔直徑超差問題。如圖10所示，通過(guò)優(yōu)化鉆尖形式有效抑制了崩刃問題的發(fā)生，達(dá)到了降低制造成本減輕質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)期目的。



(a) 改造前鉆尖形式 (b) 改造后鉆尖形式

圖6改造前后鉆頭鉆尖結(jié)構(gòu)對(duì)比

小結(jié)
通過(guò)理論分析和模擬仿真明確了工藝優(yōu)化改進(jìn)方向，以刀具失效形式為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在不改變機(jī)床夾具和工件結(jié)構(gòu)的情況下有效降低刀具崩刃問題的發(fā)生，減少工件報(bào)廢。該工藝優(yōu)化方案在柳州某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，運(yùn)行狀況良好，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。