EA4T钢的深孔钻削加工切削参数优化
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本文对深孔钻削加工的切削用量进行合理优化,建立了基于GA的切削用量优化结构。通过实际加工效果对优化切削参数进行合理的调整,得到了较为合理的切削用量,对提高加工效率、降低生产成本有实用意义。
随着我国运输业和物流业的飞速发展,高速列车作为其中主要组成部分之一,其相关的技术和理论也在不断进步。因EA4T钢广泛用于动车、高铁等高速机车车轴的制造,又被为车轴钢。EA4T引进自德国,成分含量近似于国产25CrMo4V,具有较高的抗疲劳性、韧性塑形和强度。空心车轴是高速重载车轴的新研发系列产品,已经成功地应用于动车、高铁和地铁等最新高速机车产品中,并逐步扩大了应用范围。在EA4T空心车轴加工制造过程中,深孔钻削加工是突出的技术难点,引起了相关领域学者和专家的关注。
EA4T作为一种新型的合金材料,性能高,但导热性差、加工性低,相对加工性Kv=0.2-0.45,在其深孔钻削加工过程中出现形态不规则的长卷屑、切削温度过高、钻削力过大等现象,导致钻杆振动、排屑困难和刀具磨损严重等加工问题,因此,EA4T深孔钻削的相关理论知识还需不断探索。
切削用量是深孔钻削加工中重要的参考因素,合理选择切削参数是钻削顺利进行的前提,直接影响切屑形态、排屑速度、表面粗糙度、加工精度等众多因素。对钻削加工EA4T材料时的切削速度、进给量、切削液流量等进行深入的研究和合理优化是解决断屑、排屑和提高加工质量和效率的有效途径和手段。通过回归分析得到较为合理的切削用量,这种方法消耗人力和物力极大,尤其对于EA4T等价格较高的合金材料来说更是如此,因此综合利用深孔钻削理论和智能优化算法是切削参数选择的重要方法。

1 BTA深孔加工系统

1.1 BTA系统工作原理

BTA深孔加工系统为内排屑深孔加工系统的典型代表,其基本结构见图1。高压切削液经授油器通过钻杆与工件之间的环状间隙抵达切削区,将切屑顶入钻头的排屑通道,并顺空心钻杆的中间排出,这期间切削液起冷却润滑和运送切屑的作用。图2为BTA钻供油和排屑的工作简图。
1.主轴箱 2.卡盘 3.中心架 4.卡盘 5.输油器 6.钻杆 7.刀杆支架 8.进给箱
图1 内排屑深孔钻镗床结构
图2 BTA深孔钻供油和排屑示意图

1.2 BTA 深孔钻削最佳切削条件

加大进给量可以增强断屑效果和降低切屑长度,有利于切屑排出。提高切削速度可减少切屑塑性应变和降低切削力,增加材料的去除率和加工效率。但是,增加切削速度或进给量会产生大量的热量,减少刀具寿命。对于深孔钻削来说,切削速度和进给量的选择需要考虑切屑形态、加工质量、刀具磨损、切削效率和切削成本等众多因素的综合作用,由于顺利排屑是深孔加工进行的基础,因此切削参数的最佳范围及不同切削条件下的切屑断屑率CBR是最重要的参考指标。当CBR处于合理范围时,切屑的断裂效果良好,综合考虑加工质量、刀具寿命和加工成本等指标,最终确定工件材料和BTA刀具匹配的最佳钻削条件。
由切屑长度(lch)与未变形的切削层公称切屑宽度(wd)之比可以得出切屑的断屑率CBR为
CBR=lch
wd
测量切屑的质量(mc)、切屑长度(l)、切屑宽度(w)、工件材料密度(ρ)和切屑的厚度(hch),在多次测量时取平均值,利用称重法,lch可表示为
lch=mc
ρwhch

由于切屑长度不定,通过取一定量的切屑(如N个),测量其总质量(Mc),求得切屑平均质量为
mc=Mc
N
平均长度(l)为
l=Mc
Nρwhch
因此可得
CBR=l=mc
wdρwhch
在排屑通道结构和切屑形态稳定时,切屑的整体状况和占有容积是排屑顺利程度的关键,因此,切屑容屑系数R是衡量排屑情况的重要参考指标。
切屑容积(Vq)与所切除金属体积(Vj)之比称为切屑的容屑系数(R),有
R=Vq
Vj
式中,Vq为一定压力(相当于油压)作用下切屑占据的体积(m3);Vj为得到相应切屑时的相应被切除金属层的体积(m3),即RVj=Vq
两边同时除以时间t得,即(RVj/t)=(Vq/t)
RZj=Zq
式中,Zj为单位时间内切除的金属体积,即金属切除率(m3/s);Zq为单位时间内所得切屑体积(m3/s)。
正常加工时,钻削系统的切屑排屑率Zp(单位时间内能够拍出切屑的容积值,m3/s)大于切屑切除体积Zq(即Zp>Zq)时可顺利排屑,保证系统加工稳定。

2 优化的数学模型

2.1 目标函数

作为深孔加工技术最常用的加工方式,深孔钻削生产效率的提高具有很高的经济性。以最大生产效率为目标函数,加工工时模型为
t=tm+te+to
式中,t为加工时间(min);tm为切削时间(min);te为换刀时间(min); to为工序辅助时间(min);
计算切削时间
tm=L=Lπd
fn1000fv
式中,n为主轴转速(r/min);L为加工工件孔长度(mm);f为进给量(mm/r);v为切削速度(m/min)。
换刀时间为
te=tct·T
tm
式中,tct为一次换刀时间(min);T为刀具寿命(min)。
由刀具寿命经验公式vTm=C可知
t=Lπd+tct1000fC1/mto
1000fvLπdv(1/m-1)

由于在深孔钻削中,切削深度和切削宽度为固定值,令进给量f和切削速度v为优化变量,其目标函数为
minF(x1,x2)t=Lπd+tct1000x1C1/mto
1000x1x2Lπdx2(1/m-1)
图3 BTA深孔钻三维实体图

2.2 加工约束条件

  1. 深孔加工的切削力、转矩和功率
    深孔刀具如图3所示,主切削力为
    FZ=FS·f·ap
    式中,FS为单位面积切削力((N/mm2);f为进给量(mm/r);ap为背吃刀量(mm);D为刀具直径(mm)。
    总转矩
    M=FS·f·ap(0.61D-ap/2)/1000
    对于实体钻孔有app=D/2,故M=KSfD2/2780。实体钻的切削力为
    F=2KS·f·R+πR2·p
    3
    将转矩M转换为切削功率,有
    P=M&middor;n=KS·f·n·D2
    1207·η3.36×106·η
    式中,P为总功率(kW);n为主轴转速(r/min)。
  2. 机床条件
    主轴转速必须在机床允许的最小转速Nmin和最大转速Nmax之间,有
    g1x1,x2)=Nmin-N≤0
    g2(x1,x2)=N-Nmax≤0
    进给量必须在机床允许的最小进给量fmin和最大进给量fmax之间,有
    g3x1,x2)=fmin-f≤0
    g4(x1,x2)=f-fmax≤0
    加工过程的功率必须在机床所容许的最大有效切削功率内,有
    g5(x1,x2)=P-ηPmax≤0
    式中,P为功率。
    切削过程产生的切削力必须小于系统最大允许切削力,F≤Fmax,有
    g6(x1,x2)=F-Fmax≤0
    图4 遗传算法的操作流程
    表面粗糙度约束可表示为
    g7(x1,x2)=Ra=1000×f2-R≤0
    8r
    式中,R为工件容许的最大表面粗糙度值;r为刀尖圆弧半径。
    综上所述,模型可以归结为
    y=minF(x1,x2)
    gi(x1,x2)≤0

3 EA4T切削参数优化算法

3.1 遗传优化算法

由于优化目标函数与约束方程都是非线性方程,采用传统优化方法很难达到目的。遗传算法(GA)是通过抽象模拟自然界中生物的遗传规律和进化过程的智能搜索优化算法。在进行优化计算时,对切削用量物种基因链编码、重组,保留基因杂交和变异产生适应强者,其操作流程见图4。

3.2 实例优化及验证

深孔钻削工件材料为EA4T实心车轴,重量约为900kg,加工孔直径59.8mm,孔深2200mm。加工设备为德州机床厂T2120深孔钻镗床,采用工件旋转、刀具进给的方式。刀具为错齿BTA机夹式可转位深孔钻头,刀齿材料为涂层硬质合金,Sandvik系列中的TiN涂层刀片。EA4T钢力学性能见表1,其余基本参数见表2。
表1 EA4T钢力学性能
材料δs(MPa)δb(MPa)Ak(J)ak(J·cm2)
EA4T钢420650-800≥5067

表2 切削用量优化的试验条件
刀具参数机床参数
材料前角刃倾角主偏角刀尖圆弧半径最大功率最大切削力传动系数主轴转速进给量totcv
硬质合金15°0.8mm4kW3.5kN0.761-1000r/min0.001-1mm/r30min20min
综合考虑EA4T材料的切削用量需求、算法的精确度和程序的运行过程,遗传算法输入参数中,种群个数100,最大运行代数200,个体适应值阈值100,染色交叉概率0.1,染色体变异率0.8。利用Matlab得到表3所示最终优化结果。
表3 优化算法结果
切削速度(m/min)74.2865.4990.3770.8464.4266.4479.1593.3296.67
进给量(mm/min)70.269.672.694.469.569.670.274.476.2
切削效率(min)71.3465.6981.3063.8062.5475.1078.1074.2380.12
由于深孔加工的特殊性,需要对优化解的切屑形态和排屑程度指标进行验证,优化的参数必须满足切屑断屑率CBR和切屑容屑系数R的参数指标要求。通过研究EA4T材料的深孔加工得到:当CBR≤10时,切削过程断屑效果良好,切屑容屑系数R取值为50。
分析优化组合的数据可分为三组切削参数选择范围(见表4)。
表4 试切加工参考切削用量
实验组切削速度(m/min)进给量(mm/min)
第一组70-8070-80
第二组63-6769-70
第三组90-9672-76
通过试加工试验得到以下结果:第三组试验的振动较大,刀具磨损最为严重的,工件表面粗糙度不是很理想;第二组试验数据的切屑形态较大,有时会出现杂乱的长卷屑,排屑效果一般。第一组试验中,当切削速度为75m/min、进给速度70mm/min时,切屑形态较为均匀合理,测量得到CBR=6.68,断屑效果为三组中最佳,设定的切削液流量150L/min、压力为2.5MPa时,满足切屑容屑系数要求,排屑效果良好,加工精度和表面粗糙度均比较理想。因此,加工孔直径f59.8mm,孔深2200mm的EA4T实心车轴较为合理的优化切削参数见表5。
表5 EA4T实心车轴切削用量优化结果
切削参数切削速度(m/min)进给量(mm/min)切削液流量(L/min)切削液压力(MPa)
推荐值75701502.5

4 小结

深孔加工是一种复杂、独特的切削加工方式,选择切削参数时需要考虑的因素较多。EA4T作为一种难加工的低碳合金材料,在钻削加工中,切削力和振动都较大,切屑大多呈带状或螺卷状长切屑,排屑困难,降低加工质量,钻削速度难以提高,加工效率低。本文对深孔钻削加工的切削用量进行合理优化,建立了基于GA的切削用量优化结构。
基于深孔加工的特殊性,结合优化结果和试切实验,引入切屑的断屑率CBR和切屑的容屑系数R进行定量评估。
通过实际加工效果对优化切削参数进行合理的调整,得到了较为合理的切削用量,对提高加工效率、降低生产成本有实用意义。
本文作者:沈学静
原载:《工具技术》
上载于:2017-1-16 15:56:33

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