基于切屑尺寸控制的缸蓋面銑工藝優(yōu)化

水套是冷卻液循環(huán)流動(dòng)的通道，主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行冷卻，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。圖1為用三維軟件逆向生成的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)水套三維模型。當(dāng)對(duì)缸蓋進(jìn)行面銑加工時(shí)，部分切屑?xì)埩粼谒字校瑢?dǎo)致后續(xù)清洗工藝難以有效將發(fā)動(dòng)機(jī)切屑清洗帶走，殘留切屑將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成安全隱患。

圖1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)水套

圖2為某次清洗試驗(yàn)后水套內(nèi)部的殘留切屑。試驗(yàn)中，缸蓋采用線切割切成三段，用螺栓連接緊固，將切屑從外部塞入水套孔中進(jìn)行清洗試驗(yàn)，之后松開螺栓，查看水套內(nèi)部切屑?xì)埩羟闆r。

Batzer S.A.等通過鉆削鑄造鋁合金試驗(yàn)指出，鉆削材料、進(jìn)給量和鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)切屑大小有較大影響；Davis B.等通過鎂基復(fù)合材料車削試驗(yàn)指出，切削速度較小時(shí)（<0.5m/s），切屑以鋸齒狀為主；切削速度較大時(shí)，切屑以顆粒狀為主；Wanger W.等研究了切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)和冷卻條件對(duì)切屑形貌的影響，以控制切屑的厚度、長(zhǎng)度和密度等，使切屑便于回收利用?？梢姡ㄟ^優(yōu)化加工參數(shù)和主動(dòng)控制切屑的形狀和尺寸使后續(xù)清洗工藝能夠有效帶走殘留切屑，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)線運(yùn)行過程的可靠性具有重要意義。

圖2 水套卡屑

本文基于缸蓋面銑切削試驗(yàn)獲得不同參數(shù)下的切屑形貌和尺寸，求取其平均切屑厚度、寬度和卷曲半徑后進(jìn)行回歸分析，求得不同參數(shù)下切屑尺寸的擬合公式。進(jìn)而通過理想的切屑尺寸，反求合理的加工參數(shù)區(qū)間，有利于后續(xù)清洗工藝帶走殘留在水套中的切屑。

1 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)過程

以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為加工對(duì)象進(jìn)行精銑加工。加工材料為ZAlSi11Cu2（ZL113）硅鋁合金，由于其質(zhì)量輕、綜合力學(xué)性能好，符合節(jié)能減排的需求，被廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)。試驗(yàn)所用刀具為MAPAL的PCD刀具，直徑125mm，共有10個(gè)齒。所有試驗(yàn)均為干式切削，采用基恩士VHX-600超景深顯微鏡測(cè)量切屑尺寸。為保證樣本的準(zhǔn)確性，每組參數(shù)測(cè)量10個(gè)切屑，分別測(cè)量其厚度、寬度和卷曲半徑，然后求取其平均值。表1為試驗(yàn)所用加工參數(shù)，表2為試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)加工參數(shù)

表2 試驗(yàn)結(jié)果

（2）回歸模型

采用冪函數(shù)形式對(duì)切屑尺寸進(jìn)行擬合，可得

式中，a為切屑厚度；b為切屑寬度；r為切屑卷曲半徑；v為切削速度；f為進(jìn)給量；li、mi、ni為系數(shù)，i=1、2、3。

為保證擬合精度，精銑切屑尺寸線性回歸時(shí)做以下兩點(diǎn)假設(shè)：

①銑削時(shí)切屑多具有多個(gè)卷曲半徑，回歸取其最大值。

②為保證回歸分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，所選切屑尺寸為各組參數(shù)中出現(xiàn)頻率較高的切屑，個(gè)別形狀不規(guī)則或較少量的切屑不在回歸分析之內(nèi)。因?yàn)椴煌行甲冃纬潭炔煌?，其寬度、厚度和卷曲半徑也有較大差別，為保證擬合精度，只選取常見切屑進(jìn)行擬合。圖3為精銑發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋時(shí)的切屑形貌，螺旋狀切屑較多，故切屑尺寸擬合以螺旋狀切屑為主。

(a)短錐度螺旋狀切屑（少量）（b）螺旋狀切屑（大量）

(c)螺旋狀切屑（大量）（d）圓弧切屑（少量）

圖3 切屑形貌

對(duì)式（1）、式（2）和式（3）兩邊取對(duì)數(shù)，得到線性方程為

將Inli視為新的未知數(shù)Li，通過對(duì)切屑平均寬度、厚度、卷曲半徑以及切削速度和進(jìn)給量取自然對(duì)數(shù)進(jìn)行多元線性回歸，即可求得系數(shù)li、mi和ni（i=1，2，3）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）回歸模型有效性分析

通過取自然對(duì)數(shù)可以將切削速度、進(jìn)給量與切屑尺寸轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系進(jìn)行線性回歸，可以求得式（1）、式（2）和式（3）中的系數(shù)，從而建立切削參數(shù)和切屑尺寸間的經(jīng)驗(yàn)公式。回歸公式為

對(duì)式（7）、式（8）和式（9）進(jìn)行方差分析，對(duì)回歸模型的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷其顯著性。設(shè)α=0.05，回歸模型有效性分析見圖4。查F分布表得F0.05（2，9）=3.01，由于各回歸模型F值均大于3.01，故回歸模型有效。

圖4 回歸模型有效性分析

（2）切削參數(shù)對(duì)切屑尺寸的影響

切屑厚度是與每齒進(jìn)給量相關(guān)的參數(shù)，在理想情況下，切屑厚度的值等于fsinκr(κr為刀具主偏角，見圖5)。但由于切削過程中切屑受擠壓會(huì)發(fā)生變形，通常切屑厚度大于切削層厚度。

圖5 切屑尺寸與切削參數(shù)的關(guān)系

圖6為切屑厚度隨加工參數(shù)的變化情況。由圖可見，切屑厚度隨進(jìn)給量的增加而增加，隨轉(zhuǎn)速的提高而減少。這是由于切削速度越大，金屬流動(dòng)速度大于塑性變形速度，終始滑移線OM后移，剪切角 增大。

 

圖6 切屑厚度與切削參數(shù)的關(guān)系

剪切角 與變形系數(shù)ξ的關(guān)系為

 

式中，ac為切削層厚度；γ0為前角。

由式（10）可知，當(dāng)剪切角增大時(shí)，變形系數(shù)減小，切屑厚度也減?。划?dāng)切削速度增加，摩擦系數(shù)減小，因此變形系數(shù)減小，切屑厚度也隨之減小。

圖7為切屑寬度隨切削參數(shù)的變化情況。由圖可知，在理想情況下，切屑寬度值等于切削深度值。切屑寬度隨切削參數(shù)的變化趨勢(shì)與切屑厚度一致，即隨切削速度的增加而減小，隨進(jìn)給量的增大而增大。

圖7 切屑寬度與切削參數(shù)的關(guān)系

切屑寬度和切屑卷曲半徑是影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋切屑清洗去除效果的兩個(gè)重要參數(shù)。圖8為某次清洗試驗(yàn)結(jié)束后、缸蓋內(nèi)部切屑的殘留情況。由圖可以看出，切屑大多卡在水套槽中，難以有效排出。

圖8 清洗試驗(yàn)結(jié)果

除清洗工藝的優(yōu)化外，切屑尺寸本身的控制（切屑寬度、卷曲半徑）也是優(yōu)化清洗效果的重要方法。

圖9為切屑卷曲半徑隨切削參數(shù)的變化關(guān)系。由圖可見，切屑卷曲半徑隨切削速度的增大而增大，隨進(jìn)給量的增大而減小。這是由于隨切削速度的增加，刀—屑接觸長(zhǎng)度比λ減小，切屑卷曲半徑增大。故有效降低切削區(qū)域溫度，可以有效降低切屑卷曲半徑和切屑尺寸，使切屑更容易被清洗帶走。此外，隨著進(jìn)給量的增大，切削厚度和應(yīng)變?cè)龃?，從而易于斷屑，切屑卷曲半徑減小。

圖9 切屑卷曲半徑與切削參數(shù)的關(guān)系

3 基于等高線圖的切削參數(shù)優(yōu)化

收集并測(cè)量清洗試驗(yàn)結(jié)束后水套內(nèi)殘留切屑的寬度和卷曲半徑，發(fā)現(xiàn)殘留切屑的卷曲半徑多數(shù)大于3600μm，而寬度多數(shù)在520μm以上?？紤]到生產(chǎn)節(jié)拍，零件加工效率應(yīng)保持在一定區(qū)間內(nèi)。材料去除率Q可定義為

式中，z為面銑刀齒數(shù)。

需要指出的是，精銑加工時(shí)的切削深度為定值0.5mm，故影響材料去除率的因素只有切削速度和每齒進(jìn)給量?jī)蓚€(gè)變量。將材料去除率擬定為0.6~0.8cm3/min。

圖10為切屑寬度、卷曲半徑和材料去除率的等高線圖，圖中實(shí)線為材料去除率等高線，虛線為切屑卷曲半徑等高線，點(diǎn)畫線為切屑寬度等高線。根據(jù)以上限定條件，可知精銑加工參數(shù)范圍為圖中斜劃線區(qū)域。

圖10 切屑寬度、卷曲半徑和材料去除率等高線

小結(jié)

(1)建立了切削參數(shù)和切屑尺寸之間的回歸模型，并通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析證明了回歸模型的合理性。

(2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)切屑厚度和切屑寬度隨切削速度的增大而減小，隨進(jìn)給量的增大而增大；切屑卷曲半徑則與之相反，隨切削速度的增大而增大，隨進(jìn)給量的增大而減小。

(3)根據(jù)清洗試驗(yàn)殘留切屑寬度和卷曲半徑的尺寸，并將材料去除率考慮在內(nèi)，根據(jù)等高線圖可以優(yōu)化出適于切屑清洗的面銑加工參數(shù)。