硬質(zhì)合金刀具鈍圓半徑的仿真與實驗研究

楊偉東，賈鵬飛，張子政，3，陳蜀中，黃劍鋒（.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 30030；.江蘇建一機床有限公司，江蘇 宿遷 3900；3.肯納飛碩金屬（上海）有限公司，上海 006；）

硬質(zhì)合金刀具鈍圓半徑的仿真與實驗研究

楊偉東1，2，賈鵬飛1，張子政1，3，陳蜀中2，黃劍鋒2
（1.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130；2.江蘇建一機床有限公司，江蘇 宿遷 223900；3.肯納飛碩金屬（上海）有限公司，上海 201206；）

摘要：在切削過程中，合理的鈍圓半徑不僅可以保證加工零件的表面質(zhì)量，而且也可以大大延長刀具的使用壽命。本文以前角5°、后角10°的刀具車削45#鋼為例，針對硬質(zhì)合金刀具刃口鈍圓半徑問題進行了研究，基于Abaqus仿真模擬其加工過程，分析了鈍圓半徑對于切削溫度、切削力和工件表面加工質(zhì)量的影響。同時完成了相應(yīng)的車削實驗，得出了鈍圓半徑與刀具壽命的關(guān)系。采用仿真分析與實驗驗證相結(jié)合的方法確定了硬質(zhì)合金刀具合理的鈍圓半徑，對刀具的設(shè)計和生產(chǎn)加工具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金刀具；刃口鈍化；切削模型；Abaqus仿真本文引

用格式：楊偉東，賈鵬飛，張子政，等. 硬質(zhì)合金刀具鈍圓半徑的仿真與實驗研究[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（8）：44-50 DOI

：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.008

Citation: YANG Weidong, JIA Pengfei, ZHANG Zizheng, et al. Research on simulation and experiments of the blunt radius of carbide tool[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 44-50.

0 引言

硬質(zhì)合金因其具有強度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點而常常被用作刀具材料，然而其又屬于脆性材料，在制成刀片過程中即使經(jīng)過仔細(xì)的研磨之后，刀具的刃口處仍然會存在微觀缺口，在切削的過程當(dāng)中極易擴張，產(chǎn)生刀具磨損較快的問題，大大降低了刀具的使用壽命。實際加工過程表明：刀具刃口鈍化技術(shù)可以有效解決刃磨后的刀具刃口微觀缺口的缺陷，合理的鈍圓半徑不僅可以延長刀具使用壽命，而且還可以保證工件表面的加工質(zhì)量[1]。所以刀具合理鈍圓半徑的確定將是一個事半功倍的工序。

對于刀具的切削仿真，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究與探索，Y.C.zhang[2]等利用有限元仿真軟件分析了Ti6-Al4的損傷演化與切削形態(tài)；趙永娟等[3]采用Abaqus有限元軟件對45鋼加工過程進行了仿真，分析了切削過程中切削速度、進給率、背吃刀量三要素對切削力的影響規(guī)律；萬慶豐[4]等采用Abaqus有限元仿真軟件對螺紋切削加工進行了仿真研究，分析了刀具刃口鈍圓半徑對螺紋梳刀加工過程中切削力和切削溫度的影響。

現(xiàn)有對刀具的研究主要集中在理論分析的基礎(chǔ)上，通過仿真軟件對切削過程中切削力、切削溫度的數(shù)值進行采集分析，而較少進行工程實驗驗證。針對刀具鈍圓半徑的研究方面，往往都未給出一定加工條件下刀具鈍圓半徑的合理值。因此，本文采用仿真分析和工程實驗結(jié)合的方法對刀具鈍圓半徑進行研究，首先基于Abaqus有限元仿真軟件對45#鋼工件進行車削仿真模擬，通過單因素法分析鈍圓半徑與切削力、切削溫度和工件表面的對應(yīng)關(guān)系。同時通過工程實驗分析不同鈍圓半徑刀具的壽命和磨損情況，最后將仿真和實驗結(jié)合確定出刀具刃口合理的鈍圓半徑值。

1 切削過程的仿真實現(xiàn)

金屬的切削過程是一個熱—彈塑性非線性問題[3]，它的本質(zhì)是一定條件下，工件材料在外力作用下，產(chǎn)生一個從彈性變形→塑性變形（滑移、孿生、晶界滑動、擴散性蠕變）→斷裂（切削與工件分離）的過程。

為了直觀的描述金屬切削過程，本文基于Abaqus有限元軟件進行仿真分析，并以此為基礎(chǔ)獲取相應(yīng)參數(shù)值。Abaqus軟件是一款功能相當(dāng)強大的有限元分析軟件，它既可以完成簡單的有限元分析，也可以用來模擬非常龐大復(fù)雜的模型，解決工程實際中大型模型的高度非線性問題，其工作仿真流程圖如1所示：

圖1 Abaqus仿真流程圖Fig.1 Abaqus simulation flowchart

1.1 切削模型的建立

切削過程的模擬看作平面應(yīng)變條件下的正交切削，切削工件采用45#鋼，其化學(xué)和力學(xué)參數(shù)如表1所示，建立切削部件并賦予相應(yīng)的材料屬性。

表1 45#鋼的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of 45# steel

對部件進行網(wǎng)格劃分，采用二次精度，單元類型為CPE4RT。完成后對各個部件進行裝配，調(diào)整好刀具與工件的接觸位置使切削層厚度為0.3mm，有限元切削模型如圖2所示，其中刀具的前角為5°，后角為10°。

圖2 正交切削模型Fig.2 Tool orthogonal cutting model

1.2 材料的本構(gòu)關(guān)系模型

建立切削變形區(qū)內(nèi)工件材料的本構(gòu)關(guān)系是模擬切削過程的關(guān)鍵，本文以Johnson-Cook（J-C）模型來描述材料的塑性變形，它能較好地描述金屬的加工硬化效應(yīng)，應(yīng)變率效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)，并且形式簡單，使用方便[5]。Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系的形式為：

經(jīng)查找[6]，式中各個參數(shù)值為A=507MPa；B=320MPa；=8.4×10-30.25；n=0.28；m=1.06。參數(shù)設(shè)置完成后，定義分析步并設(shè)置工件溫度，然后提交作業(yè)在可視化的選項當(dāng)中觀察云紋圖，并分析各個參數(shù)的變化。

2 有限元仿真結(jié)果分析

刀具的鈍圓半徑直接影響著刀具的鋒利程度，刀具越鋒利則刃口處的作用面積越小，強度會較低；刀具越鈍則刃口處的作用面積越大，強度會增強，耐磨性也會變強。刀具刃口鈍化旨在尋找利與固兩者的平衡點，即要保證工件的加工精度，又要延長刀具的使用壽命。

圖3 鈍圓半徑R=20um的切削力曲線圖Fig.3 Cutting force curve when R is 20um

本文研究鈍圓半徑R范圍為0-100um，在此區(qū)間刀具刃口較為鋒利，可以保證所需的加工精度。為了從此區(qū)間確定出合理的鈍圓半徑，采用單因素法，即只通過改變鈍圓半徑分別觀察切削過程中切削力、刀具溫度和工件表面加工質(zhì)量的變化，進而分析探討合適的鈍圓半徑，為鈍圓半徑的確定提供理論依據(jù)。

2.1 鈍圓半徑對切削力的影響

對切削過程中的切削力進行采集，選取其中鈍圓半徑R=20um為例進行仿真模擬說明，得到切削力與時間的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著切削工作的開始，切削力開始逐漸上升，在進入穩(wěn)態(tài)切削之后切削力不斷的波動[7]，這種波動產(chǎn)生原因主要有：一是由于刀具在切削工件時切削層的金屬因塑性變形而剪切失效、材料破裂，從而使切削層與工件發(fā)生分離，此時切削力變小。但隨著切削的進行，新的材料又會與刀具接觸，從而切削力又增大。如此反復(fù)，出現(xiàn)切削力波動的現(xiàn)象。二是隨著切削的進行刀具與工件之間的接觸狀況發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削力發(fā)生變化。

圖4 鈍圓半徑R與切削力的變化曲線圖Fig.4 Cutting force curve with the change of blunt radius R

分別采集鈍圓半徑R在0～100um區(qū)間下的切削力，得到不同鈍圓半徑與切削力的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4關(guān)系曲線來看，隨著刃口鈍圓半徑的不斷變大，切削力呈逐漸變大的趨勢，當(dāng)鈍圓半徑R從0um變化至25um時，隨著刃口鈍圓半徑的不斷變大，此時鈍圓半徑相對來說還比較小，刀具刃口的強度比較低；當(dāng)鈍圓半徑R從25um變化至60um時，隨著刃口鈍圓半徑的不斷變大，刀具的刃口強度不斷增強，切削力不斷的變大，但增長的趨勢不明顯，大大降低了出現(xiàn)崩刃的概率。當(dāng)鈍圓半徑R大于60um時，其切削力呈向上增大的趨勢，數(shù)值大于1050N時，鈍圓半徑越大刀具與工件的接觸面積也會越大，摩擦力也會隨之增大，其切削的溫度與加工的表面質(zhì)量也會受到影響。單從上述的切削力的變化趨勢來看，鈍圓半徑R在25～60um之間較為合適，在此區(qū)間刃口的強度適中，切削力的變化比較平穩(wěn)，不會因加工誤差的存在使切削力發(fā)生太大的變化，為了全面分析鈍圓半徑對切削過程的影響，確定出合理的鈍圓半徑，下面依次分析加工過程中鈍圓半徑對切削溫度和工件表面質(zhì)量的影響。

2.2 鈍圓半徑對切削溫度的影響

切削溫度與刀具的壽命密切相連[8]。為了觀察鈍圓半徑R對于切削溫度的影響，對切削過程當(dāng)中的切削溫度進行采集，得到切削溫度與不同鈍圓半徑的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示：

由圖5中可知，當(dāng)鈍圓半徑R為0-20um時，切削溫度呈下降趨勢，在R=20um時達到最低點（大約在930K左右），對應(yīng)的切削溫度為633℃。當(dāng)鈍圓半徑R為20-100um時，刀具切削溫度呈上升趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：當(dāng)?shù)毒叩拟g圓半徑很小時，其與工件的接觸面積較小，其散熱性較差，所以刀具的溫度會出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，隨著鈍圓半徑的增大，刀具與工件的接觸面積不斷變大，刃口的散熱面積也變大，所以其溫度會有所降低，但在隨刀具鈍圓半徑不斷變大的同時，刃口所受到的摩擦力與阻力也會相應(yīng)的變大，溫度又出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。單從溫度的變化曲線來看，鈍圓半徑R為0-60um比較合適，此時刀具的加工溫度相對較低，刀具的磨損較緩。

2.3 鈍圓半徑對工件表面加工質(zhì)量的影響

在加工過程中由于鈍圓半徑的存在，切削時工件被分成兩部分，一部分會因水平方向上的切削力而發(fā)生塑性變形被刀具切削掉，另一部分會被刀具的半徑擠壓到加工的表面上，所以刃口鈍化后其刃口會對加工表面起到一定的熨壓作用，在一定程度上能夠起到消除切削過程中振動的作用，從而可以降低已加工表面的粗糙度，但如果刀具的作用力不穩(wěn)定，不斷波動的話，其加工的表面質(zhì)量會受到直接的影響而變得不平整。因此鈍圓半徑的大小對于工件表面的加工精度也起著重要的影響。以鈍圓半徑R=20um時刀具水平方向上的作用力與豎直方向上的作用力為例進行分析，采集的數(shù)據(jù)如圖6所示：

圖6中曲線a為刀具豎直方向上的作用力曲線，曲線b為刀具的水平方向上的作用力曲線。從圖中可以看出豎直方向的切削力相對于水平方向的切削力很小，可給予不考慮。作用力的波動直接影響著工件表面的加工質(zhì)量，其波動區(qū)間越小則工件的表面加工質(zhì)量則會越好，為了直觀的觀察工件表面質(zhì)量與鈍圓半徑的關(guān)系，采集不同鈍圓半徑下作用力的振動幅度，以振幅的大小來衡量零件的表面加工質(zhì)量，得到相應(yīng)的曲線如圖7所示。

圖5 鈍圓半徑R與切削溫度的變化曲線圖Fig.5 Temperature curve with the change of blunt radius R

圖6 鈍圓半徑R=20um的下作用力曲線Fig.6 Force curve when R is 20um

圖7 鈍圓半徑R與作用力的振幅曲線Fig.7 Force amplitude curves with the change of blunt radius R

由圖7中可知，鈍圓半徑R在0～45um之間時，水平方向的作用力波動幅度逐漸減小，而鈍圓半徑R在45～100um之間，作用力波動幅度又逐漸變大，但是上升的趨勢并不明顯?？傮w來看，隨著鈍圓半徑的增大，作用力波動幅度呈變小趨勢，因此鈍圓半徑的增大能夠起到一定消振的作用，工件的表面加工質(zhì)量會變好。當(dāng)鈍圓半徑過大時，波動的振幅又呈變大的趨勢。所以，從加工表面的質(zhì)量來看，鈍圓半徑R為30-80um比較合適，在此區(qū)間作用力最大值與最小值的差值較小，曲線波動較為平穩(wěn)。

圖8 三個因素綜合作用示意圖Fig.8 Schematic of three factors combined

綜合以上三方面因素，合理的鈍圓半徑應(yīng)當(dāng)保證切削力不易過大，以減少對刀具的崩刃概率；切削溫度要保證比較低，以減少刀具的磨損；工件表面的加工質(zhì)量的粗糙度盡量小，減小刀具的振動，取三者的交集可得出在所給的條件下硬質(zhì)合金刀具較合理的鈍化參數(shù)范圍為30～60um（如圖8所示）。在此區(qū)間切削力較為合適，刀具的切削溫度較低，而且工件的表面加工質(zhì)量較好。

3 車削實驗的實施

3.1 刀具壽命實驗

在實際刀具刃口鈍化中，鈍圓半徑無法保證很小，一是加工難度較大，二是加工精度不易保證。本次實驗選用鈍圓半徑R范圍為35～70um的硬質(zhì)合金刀具，并采用與仿真相同的工況參數(shù)對45#棒料工件進行車削加工。

刀具壽命的評價方式：當(dāng)?shù)毒呒庸すぜ瓿珊?，檢驗已加工工件表面粗糙度，以1.8um為臨界值，當(dāng)工件表面的粗糙度值不超過1.8um時，刀具可繼續(xù)正常使用，否則判定刀具失效。通過計算滿足表面粗糙度的工件數(shù)量來衡量刀具的使用壽命，不同鈍圓半徑刀具所對應(yīng)的刀具加工工件數(shù)量如圖9所示。

從圖9中可以得出，當(dāng)鈍圓半徑R=35um和R=40um時，刀具磨損比較快。隨著鈍圓半徑的增加刀具的壽命開始逐漸延長。當(dāng)R=55um時刀具壽命達到最長，約為R=35um刀具壽命的2倍，加工的工件數(shù)可達到180件。當(dāng)鈍圓半徑超過65um時，刀具的壽命則會降低。

圖9 鈍圓半徑與刀具壽命的關(guān)系Fig.9 Relationship between blunt radius and tool life

刀具的磨損主要以磨粒磨損、黏結(jié)磨損、擴散磨損為主，也會有一些相變磨損和氧化磨損等[9]。刀具表面劃痕的出現(xiàn)主要是由于在切削的過程當(dāng)中刀具刃口的溫度比較高，部分切削會與刃口粘著在一起而形成切削瘤，隨著切削過程的進行部分切削瘤會隨切削層一同流出，在流出的過程中它會與前刀面表面相接觸而產(chǎn)生劃痕的現(xiàn)象。同時隨著加工的進行，切屑、工件與刀具接觸過程中雙方的化學(xué)元素在固態(tài)下相互擴散，改變了原來材料的成分與結(jié)構(gòu)，會使刀具材料變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損[10]。

將現(xiàn)場已完成加工的刀具在200倍掃描電鏡下進行觀察，從中選出鈍圓半徑R=35um和R=50um的刀具磨損情況如圖10和11所示：

圖10 R=35um的前后刀面磨損圖Fig.10 Photos of cutters wear when R is 35um

圖11 R=50um的前后刀面磨損圖Fig.11 Photos of cutters wear when R is 50um

通過實驗結(jié)果進行對比，鈍圓半徑R=35um表面的劃痕較為嚴(yán)重；相比之下R=50um表面的劃痕不是很明顯，表面磨損程度比較低。

4 結(jié)論

綜合考慮上述的仿真分析與實驗結(jié)果（如圖12所示），采用硬質(zhì)合金刀具車削45#鋼的加工中，當(dāng)切削層厚度為0.3mm，切削進給速度為4m/s，刀具的前角為5°，后角為10°的情況下，刀具鈍化參數(shù)合理區(qū)間為50～60um。此時刀具各個方面的性能較優(yōu)，刀具所受的切削力較合適，切削溫度較低，加工表面質(zhì)量較好，壽命長。

圖12 仿真與實驗的綜合結(jié)果圖Fig.12 Comprehensive results of simulation and experiments

參考文獻

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設(shè)計與研究

*基金項目：2014年江蘇省“雙創(chuàng)人才”資助項目。

作者簡介：楊偉東(1972-)，男，教授，博士，研究方向：計算機數(shù)控技術(shù)、増材制造；賈鵬飛（1990-），男，1990年生，碩士研究生，研究方向：計算機數(shù)控技術(shù)；張子政（1982-），男，工程師，研究方向：機械工程；陳蜀中（1947-），男，高級工程師，研究方向：數(shù)控機床；黃劍鋒（1979-），男，工程師，碩士，研究方向：數(shù)控機床。

Research on Simulation and Experiments of The Blunt Radius of Carbide Tool

YANG Wei-dong1, 2, JIA Peng-fei1, ZHANG Zi-zheng1, 3, CHEN Shu-zhong2, HUANG Jian-feng2
(1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130 CHN; 2.JiangSu Jianyi Machine Tool Co., Ltd., Suqian 223900 CHN; 3.Kennametal Hardpoint Co., Ltd., Shanghai 201206 CHN)

ABSTRACT:In the cutting process, the rational edge radius can not only ensure the surface quality of machined parts, but also can extend the life of the tool greatly. In this article the tool with the rake angle of 5° and the clearance angle of 10° for cutting 45# steel is taken as an example, the question of cemented carbide tool blunt edge radius is mainly researched. The simulation of the machining process is based on Abaqus, for analysis of the edge radius impacting on cutting temperature, cutting force and the surface quality of workpieces. At the same time, the corresponding turning experiments have been completed, and the relationship between the radius of the blunt circle and the life of the cutting tool is obtained. The reasonable radius of the blunt circle is determined by the method of simulation analysis and experimental verification, which is important for the design and production process of cutting tools.

KEYWORDS:Carbide Tool; Edge roundness; Cutting Model; Abaqus Simulation