高速車削3Cr13 不銹鋼切削力的仿真分析

胡志遠(yuǎn)，岳文輝，彭廣

(湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411201)

0 前言

3Cr13 鋼的強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、沖擊性能等指標(biāo)比40 號鋼、45 號鋼高，是一種塑性好的中碳馬氏體不銹鋼［1］，常用于制造力學(xué)性能要求較高的零件，如軸承、汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥、閥座等。因而，3Cr13 材料的切削性能引起了業(yè)界的研究興趣。許多學(xué)者針對3Cr13 材料作過不同的研究。如樊琳等人［2］提出3Cr13 在切削過程中對刀具產(chǎn)生的抗力大，加工硬化嚴(yán)重，引起刀具的磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致磨刀次數(shù)增多，生產(chǎn)率降低;并指出只要制訂合理的加工工藝，正確選擇刀具材料、刀具幾何角度和切削用量，其切削性能可以得到改善，可獲得良好的表面質(zhì)量和較高的生產(chǎn)率。杜國臣［3］對3Cr13 材料數(shù)控車削加工的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，指出在普通速度下進(jìn)行數(shù)控車削時，通過合理選擇切削刀具與切削用量等工藝措施，可顯著提高不銹鋼零件的車削效率。H.BIL.等［4］等應(yīng)用AdvantEdgeFEM有限元軟件建立了正交切削有限元模型，并對剛性材料仿真加工與實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，同時還指出，切屑的形成是塑性流動的結(jié)果。王懷峰［5］等通過AdvantEdge FEM 模擬軟件對航空鈦合金Ti6Al4V 的銑削加工過程進(jìn)行了二維模擬仿真，采用單因素試驗(yàn)獲得了軸向銑削深度、銑削速度、每齒進(jìn)給量、徑向銑削深度對銑削力的影響規(guī)律。

綜合研究現(xiàn)狀來看，對3Cr13 材料的切削研究大多集中于普通切削速度下的定性分析，也鮮見有關(guān)于采用AdvantEdge FEM 軟件對其切削過程進(jìn)行仿真分析的研究，特別是同時考慮刀具角度與切削用量對切削力影響的研究。本文作者以徑向切削力為目標(biāo)，以進(jìn)給量、背吃刀量、車削速度、車刀前角、后角等5個切削為自變量，應(yīng)用AdvantEdge FEM 模擬軟件進(jìn)行二維高速車削仿真，通過正交試驗(yàn)，分析各切削參數(shù)對徑向切削力的影響規(guī)律，并采用極差分析法得出了在給定切削條件下切削參數(shù)的最優(yōu)組合，為3Cr13不銹鋼的高速車削實(shí)驗(yàn)研究提供有益的參考。

1 有限元模型建立

目前，切削過程中的數(shù)值模擬方法主要有歐拉法、拉格朗日法。歐拉方法是用有限元網(wǎng)格描述空間域，常用來描述流體運(yùn)動，但該方法不能模擬切屑的形成;拉格朗日法常用于描述固體的變形，其有限元網(wǎng)格隨著工件的變形而變形，由于在切削過程中，切屑形狀不是固定的，拉格朗日法可以不斷調(diào)整空間網(wǎng)格來描述邊界條件［6］。AdvantEdge FEM 中的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)是通過定義幾何特性的初始網(wǎng)格與可接受的誤差水平，即網(wǎng)格劃分等級參數(shù)、粗化系數(shù)、細(xì)化系數(shù)等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算得到的誤差估計(jì)結(jié)果，對誤差較大的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格的調(diào)整與優(yōu)化?？紤]到加工過程中工件與刀具的進(jìn)給運(yùn)動，網(wǎng)格將隨著加工進(jìn)程中工件的變形而產(chǎn)生變形，因此，采用拉格朗日法建立有限元模型，充分利用AdvantEdge FEM 中的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，以提高模擬的運(yùn)算精度。

1.1 刀具-工件模型的建立

由于該軟件數(shù)據(jù)庫中沒有3Cr13 的材料，而仿真旨在為實(shí)驗(yàn)加工確立一個合適的參數(shù)取值范圍?？紤]到加工過程中影響切削性能的重要指標(biāo)，如硬度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)，為使模擬的結(jié)果接近實(shí)際，在模擬仿真中選取與3Cr13 硬度和抗拉強(qiáng)度最接近的420 不銹鋼材料替代，因?yàn)?20 不銹鋼的硬度為HB223，3Cr13 的硬度為HB235，二者幾乎相當(dāng)?？紤]到加工中刀具與工件材料的匹配特點(diǎn)，刀具選擇軟件刀具庫中的硬質(zhì)合金刀具，建立二維模型如圖1 所示。

圖1 二維車削有限元模型

1.2 有限元網(wǎng)格劃分和工件模擬參數(shù)設(shè)置

在AdvantEdgeFEM 軟件中，網(wǎng)格劃分等級參數(shù)G的大小指在靠近切削刃部分由粗網(wǎng)格轉(zhuǎn)變至細(xì)網(wǎng)格變化的速度快慢，其中，0.1 ＜G ＜1，當(dāng)G=0.1 時緩慢轉(zhuǎn)變導(dǎo)致全局細(xì)網(wǎng)格，當(dāng)G=1 時快速轉(zhuǎn)變導(dǎo)致粗網(wǎng)格，該軟件對網(wǎng)格劃分等級參數(shù)已經(jīng)固定，取G=0.4;網(wǎng)格粗化系數(shù)指網(wǎng)格快速粗化到其最大尺寸的速度，決定著單元變形后粗化的程度;網(wǎng)格細(xì)化系數(shù)指網(wǎng)格細(xì)化程度即網(wǎng)格快速細(xì)化至其最小尺寸的速度，在AdvantEdge FEM 軟件中網(wǎng)格粗化系數(shù)和細(xì)化系數(shù)取值范圍為1～8，在該范圍的兩端時，軟件限制為不可取狀態(tài)，文中取系統(tǒng)默認(rèn)值，即粗化系數(shù)取6，細(xì)化系數(shù)取2?？紤]到AdvantEdge FEM 軟件的計(jì)算時間和內(nèi)部參數(shù)的限定，刀具網(wǎng)格劃分參數(shù)和工件網(wǎng)格劃分參數(shù)均取系統(tǒng)默認(rèn)值。有限元網(wǎng)格劃分的設(shè)置參數(shù)如表1 所示。

表1 有限元網(wǎng)格劃分參數(shù)

工件模擬參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 工件模擬參數(shù)

2 高速車削模擬仿真及結(jié)果分析

2.1 高速車削模擬參數(shù)的確定

車削過程模擬的仿真模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，采用干式車削。確定的試驗(yàn)因素分別為進(jìn)給量、背吃刀量、車削速度、車刀前角、車刀后角。根據(jù)文獻(xiàn)［7］所提供的加工3Cr13 切削用量范圍:進(jìn)給量 (0.1～0.2 mm/r);背吃刀量(0～3 mm);車刀前角 (10°～20°);車刀后角(5°～10°)，由參考文獻(xiàn)［8］可知對不銹鋼材料而言，當(dāng)車削速度大于500 m/min 時，即為高速車削。因此，在設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時，每個因素的因素水平如表3 所示。

表3 各車削參數(shù)的因素水平

2.2 模擬結(jié)果分析及計(jì)算

根據(jù)正交表記號Ln(tq)，其中L 為正交表代號，n 為正交表行數(shù)即實(shí)驗(yàn)組數(shù)，q 為正交表列數(shù)即因素?cái)?shù)目，t 為正交表數(shù)碼數(shù)即因素的水平數(shù)目。文中的分析結(jié)果以徑向切削力為目標(biāo)，影響因素為背吃刀量、進(jìn)給量、車削速度、車刀前角及車刀后角等5 個，定義因素水平數(shù)為4 個，試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取L16(45)型常用正交表，各試驗(yàn)及其切削力仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算表

為分析各因素對切削力的影響的顯著程度，以及求出各因素的最優(yōu)組合，采用極差法來進(jìn)行分析與優(yōu)化。極差分析法計(jì)算簡便、直觀、簡單易懂，可以反映各因素對切削力影響的顯著程度［9］。應(yīng)用極差分析法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，計(jì)算出背吃刀量、進(jìn)給量、車削速度、車刀前角和后角對徑向切削力Fy的平均影響效果。分析結(jié)果見表5 所列。

表5 徑向切削力Fy的極差表

表格中，M1、M2、M3、M4是各個因素在同一水平下徑向切削力和的平均值;極差R 是因素不同水平下相對應(yīng)的徑向切削力平均值中最大值與最小值之差，其大小反映各個因素對徑向切削力的影響程度［10］;并且由表格中均值的大小，可以得出各因素的最優(yōu)組合。

由表中極差值可以看出，在軟件AdvantEdge FEM 模擬二維車削3Cr13 不銹鋼仿真過程中，對徑向切削力的影響程度從大到小依次為背吃刀量、車刀前角、車削速度、進(jìn)給量、車刀后角。同時由表可知，當(dāng)進(jìn)給量在第4 水平，背吃刀量在第1 水平，車削速度在第1 水平，車刀前角在第4 水平，車刀后角在第2 水平時，徑向切削力均值最小，因此得出最優(yōu)組合為:A4B1C1D4E2。根據(jù)這個組合水平數(shù)值代入軟件AdvantEdge FEM 中進(jìn)行車削仿真驗(yàn)證，得到徑向切削力大小為30.9 N。

3 加工參數(shù)對切削力的影響規(guī)律分析

由徑向切削力的極差表可以看出，進(jìn)給量對切削力的影響范圍是146.9～179.2 N;背吃刀量對切削力的變化是從65.4～270.1 N;車削速度對切削力的影響范圍是130.7～185.5 N;車刀前角對切削力的影響范圍是134.3 N～216.8 N;車刀后角對切削力的影響范圍是158.7～180.7 N 間。

圖2 為進(jìn)給量、背吃刀量、車削速度、車刀前角、車刀后角對徑向切削力的影響規(guī)律。對3Cr13 不銹鋼進(jìn)行高速車削實(shí)驗(yàn)加工時，應(yīng)合理選取各參數(shù)的取值范圍。一般來說，各參數(shù)的實(shí)驗(yàn)取值范圍應(yīng)考慮加工表面質(zhì)量、加工效率、設(shè)備工藝系統(tǒng)承載能力、便于安排實(shí)驗(yàn)等方面的要求。由圖2 (a)可知，隨著進(jìn)給量的增大，徑向切削力先增大后減小，因此在實(shí)驗(yàn)確定進(jìn)給量時，擬選取的范圍是:0.1～0.18 mm/r;從圖2 (b)可以看出，隨著背吃刀量的增大，徑向切削力呈近似線性增長，當(dāng)背吃刀量達(dá)到2.4 mm 時，徑向切削力增幅很大，并考慮到3Cr13 材料精加工時的切削深度范圍，所以背吃刀量控制在0.3～0.7 mm 范圍;圖2 (c)反映了徑向切削力隨車削速度的增大而先升后減的趨勢，后面三個點(diǎn)減小的幅值較小，曲線近似平穩(wěn)，為了使切削力較小、便于選擇實(shí)驗(yàn)水平、實(shí)際中操作機(jī)床所允許的速度范圍，因此選擇車削速度范圍在500～900 m/min;由圖2 (d)可知，隨著車刀前角的增大，徑向切削力在不斷減小，實(shí)驗(yàn)時，可以選擇大的車刀前角，但是當(dāng)前角過大時，會導(dǎo)致刀具磨損加快，減小刀具的使用壽命，車刀前角的大小不宜定得過大，因此車刀前角取15°～19°之間;由圖2(e)可知，隨著車刀后角的增大，徑向切削力先減小后增大再減小，總體來說車刀后角增大時，徑向切削力是在很小的范圍內(nèi)波動，由于后角越小，后刀面的摩擦接觸長度越大，且它是導(dǎo)致切削刃及后刀面磨損的直接原因之一，因此在保證刀具有足夠強(qiáng)度的前提下，實(shí)驗(yàn)中定取車刀后角數(shù)值范圍時，可以適當(dāng)增大其值，由后角對徑向切削力的波動特點(diǎn)、刀具的磨損影響，實(shí)驗(yàn)中刀具的后角選取6°～10°。

圖2 切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律

4 總結(jié)

以徑向切削力為目標(biāo)，以進(jìn)給量、背吃刀量、車削速度、車刀前角、車刀后角等切削參數(shù)為自變量，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，并利用AdvantEdge FEM 軟件仿真計(jì)算了徑向切削力;分析了各切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律;探討了實(shí)驗(yàn)研究時各參數(shù)的取值范圍。采用極差分析法得出了在給定切削條件下切削參數(shù)的最優(yōu)組合:進(jìn)給量為0.1 mm/r、背吃刀量為0.3 mm、車削速度為500 mm/min、車刀前角為19°、車刀后角為7°。

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