微型車刀前刀面微溝槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

王雯

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022）

0 引言

金屬切削過程中，車刀的前刀面不斷與切屑和工件接觸，并發(fā)生劇烈摩擦，而發(fā)生在車刀上的摩擦與磨損會造成刀具損壞而失效，使切削無法正常進(jìn)行［1］。

鑒于仿生學(xué)的出現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者把微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了活塞/缸套［2］、軸承［3］、刀具［4］等機(jī)械零件上，得知微結(jié)構(gòu)具有改善摩擦副之間的摩擦性能、減小表面磨損及提升承載力等作用。例如：硬質(zhì)合金車刀切削淬硬鋼時(shí)，在車刀的前刀面上加工四個(gè)直徑為0.15 mm的微孔，并裝填固體潤滑劑，可以有效地改善干切削時(shí)車刀的摩擦特性［5］；傾斜微溝槽結(jié)構(gòu)化前刀面的車刀在以大切除率進(jìn)行鈦合金材料的干切削時(shí)可以降低切削溫度和切削力［6］。但是，這些車刀都是常規(guī)的車刀，刀尖半徑都很大；切削的材料都是較硬的材料，如淬硬鋼、鈦合金等；工件的直徑在50 mm左右，機(jī)床的轉(zhuǎn)速較低，進(jìn)給量和背吃刀量都很大，尚未應(yīng)用到微型成型車刀前刀面上。

1 微溝槽微型車刀的靜力學(xué)分析

1.1 車刀試件有限元模型的建立

分析微型車刀的受力情況，對于微溝槽的設(shè)計(jì)來說，車刀可化簡成包括刀尖部分1/4車刀的平行四面體（邊長為3.22 mm，厚度為2.38 mm）。車刀前刀面的大致磨損范圍為0.5 mm×0.5 mm，如圖1所示。我們將微結(jié)構(gòu)的位置分布和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行大致確定，微溝槽微型車刀試件如圖2所示。本文微溝槽槽寬為0.05 mm，槽間距為0.1 mm，槽深為0.02 mm；切削力通過切削試驗(yàn)測得：Fx=1.22 N，F(xiàn)y=2.84 N，F(xiàn)z=1.36 N。

圖1 微型車刀前刀面磨損測量結(jié)果

圖2 微溝槽微型車刀試件示意圖

在以邊長為0.5 mm的扇形區(qū)域里分別做三種微溝槽結(jié)構(gòu)，如：垂直微溝槽，平行于切削刃的微溝槽，40°的斜形微溝槽，以研究對其刀尖應(yīng)力的影響。

圖3 各種微型車刀試件的Mises應(yīng)力分布圖

1.2 微型車刀微溝槽尺寸參數(shù)的確定

在ANSYS后處理模塊中，我們可以通過General Postproc中的Von Mises Stress對結(jié)果進(jìn)行分析，圖3為各種微型車刀試件的Mises應(yīng)力分布圖。

由圖3可見，微溝槽方向的不同導(dǎo)致微型車刀應(yīng)力分布的不同。無織構(gòu)的普通車刀試件應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在刀尖上，其值為6.40 MPa；帶有微溝槽的車刀試件最大應(yīng)力值分布在溝槽的邊線上，略微降低了刀尖的受力；另外，可以得知：在其它參數(shù)不變的情況下，只調(diào)整微溝槽的設(shè)計(jì)方向，車刀試件的應(yīng)力分布形式略有相近，但刀尖最大應(yīng)力值稍有不同。平行于切削刃的微溝槽車刀試件的刀尖最大時(shí)Mises應(yīng)力最小，其值為5.74 MPa。

2 結(jié)論

微溝槽的方向不同會導(dǎo)致微型車刀前刀面刀尖的應(yīng)力分布不同。三種微結(jié)構(gòu)都使刀尖的最大Mises應(yīng)力值降低了。其中，平行于切削刃的微溝槽車刀試件的刀尖最大Mises應(yīng)力最小，其值為5.74MPa。這為以后的金屬切削模擬仿真奠定了一定基礎(chǔ)。

［1］ 吳澤，鄧建新，連云崧，等.表面織構(gòu)刀具的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.航空制造技術(shù)，2012（10）：32－37.

［2］ 劉一靜，袁明超，王曉雷.表面織構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)活塞/缸套摩擦性能的影響［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：866－871.

［3］ 何建林.具有微結(jié)構(gòu)功能表面的刀具及車削性能研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［4］ Brizmer V，Kligerman Y，Etsion I.A laser textured parallel thrust bearing［J］.Tribology Transactions，2003，46（3）：397-403.

［5］ 鄧建新.自潤滑刀具及其切削加工[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

［6］ Xie J，Luo M J，Wu K K，et al.Experimental study on cutting temperature and cutting force in dry turning of titanium alloy using a non-coated micro-grooved tool［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2013，73：25-26.