固體粉末內(nèi)噴潤滑車刀設(shè)計及其切削仿真研究

固體粉末內(nèi)噴潤滑車刀設(shè)計及其切削仿真研究*

霍文國1，丁元法2，蔡蘭蓉1，張翔宇1，董慶運1，邵娟1

(1.天津市高速切削與精密加工重點實驗室 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222；2. 貴州省新材料研究開發(fā)基地 貴州省先進(jìn)金屬材料制備與加工工程研究中心，貴陽550002)

摘要：TC4(Ti6Al4V)合金作為一種典型的難加工材料，嚴(yán)重的刀具磨損制約了其切削加工效率。文章設(shè)計了一種充氣加壓式固體內(nèi)噴潤滑車刀，并采用DEFORM軟件對其切削加工溫度進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，采用充氣壓力將固體潤滑劑直接輸送到刀具刃部，可在不使用冷卻液的情況下達(dá)到冷卻潤滑切削加工區(qū)的目的，降低自潤滑車刀和TC4合金工件之間的摩擦因數(shù)，對降低切削溫度和表層最大殘余應(yīng)力具有明顯效果。

關(guān)鍵詞：鈦合金；內(nèi)潤滑；切削仿真；固體粉末

文章編號：1001-2265(2015)09-0045-04

收稿日期：2014-11-20；修回日期：2015-01-15

基金項目：*國家自然科學(xué)基金(51305301)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿計劃項目(14JCQNJC05100)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2014]2116號);天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊培養(yǎng)計劃資助(TD12-5043)

作者簡介：霍文國(1978—)，男，山東濟(jì)寧人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)講師，工學(xué)博士，研究方向為綠色磨削加工技術(shù)，(E-Mail)wghuo@163.com。

中圖分類號：TH164;TG580

Design of Inner Lubricating Turning Cutter and Simulation Research of Cutting Ability

with Solid Powder

HUO Wen-guo1, DING Yuan-fa2, CAI Lan-rong1, ZHANG Xiang-yu1DONG Qing-yun1,SHAO Juan1

(1. Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting & Precision Machining,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China;2. Guizhou Engineering and Technology Center of Advanced Metal Material, Guizhou R & D Center of Modern Materials, Guiyang 550002, China)

Abstract：As a kind of typical difficult-to-machine materials, TC4 (Ti6Al4V) alloy was restricted in its cutting efficiency because of the tool wear too fast. A kind of solid internal lubrication tool in inflation pressure style was introduced, and its cutting performance was investigated by finite element analysis with DEFORM software. The results showed that an obvious effect in decreasing the cutting temperature can be obtained by reducing the friction coefficient between the self-lubricating tool and the TC4 alloy through delivering the solid lubricant directly to the blade of the cutting tool without the use of coolant conditions.

Key words： titanium alloy; inner lubrication;cutting simulation; solid powder

0引言

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、兵器等行業(yè)。但鈦合金也是一種典型的難切削材料，在切磨削加工時，由于導(dǎo)熱系數(shù)低，切削熱很難導(dǎo)出，切削區(qū)極易積聚大量熱量產(chǎn)生切削高溫，進(jìn)而被高溫軟化的鈦合金切屑粘附在刀具表面加劇刀具粘附磨損，增大了工件。刀具和切屑之間的摩擦，又進(jìn)一步增加切削溫度，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致刀具嚴(yán)重磨損和工件磨削燒傷[1-2]。

因此減少刀具和工件之間的摩擦有利于改善切削加工性能，康亞琴[3]用在刀具和工件施加靜電場作用來減少切削摩擦，并進(jìn)行了車削BT20實驗研究。波斯特尼柯夫等[4]研究認(rèn)為通過改變工件與刀具的電動勢，能降低工件與刀具之間的摩擦系數(shù)。Tae Jo Ko 等人[5]開發(fā)了一種空氣渦流制冷式的低溫微量潤滑系統(tǒng)，并進(jìn)行了TiN 涂層刀具硬車削試驗，結(jié)果表明，低溫微量潤滑可提高刀具壽命。

Y. Yakup, Z. Y. Wang, Shane Y. Hong 等人開展了液氮噴到切削區(qū)冷卻潤滑加工的實驗研究[6-8]。結(jié)果表明，液氮冷卻能夠改善切削加工性能，減少磨削燒傷。

切削過程中前刀面和工件之間的摩擦摩擦磨損性能對于刀具壽命和加工工件表面質(zhì)量都有比較重要的影響，通過冷風(fēng)、液氮和微量潤滑等方式可以降低刀具與工件的摩擦系數(shù)，改善切削加工性能[9]。然而，也存在系統(tǒng)裝置復(fù)雜，配套較困難等問題。

因此為了控制工件表面質(zhì)量，提高刀具壽命，切削時大量使用切削潤滑液，但在高速切削時，由于較高的切削速度產(chǎn)生的氣流屏障作用，冷卻液很難進(jìn)入切削區(qū)內(nèi)部，不僅使切削熱大量積聚在刀具刀尖區(qū)域，造成刀具粘附和高溫磨損，也造成了資源浪費并污染了環(huán)境，給實際生產(chǎn)帶來一些難題，同時也增加了生產(chǎn)成本[10-13]。因此本文提出了一種固體粉末內(nèi)噴潤滑車刀結(jié)構(gòu)，并對其切削加工進(jìn)行數(shù)值模擬分析。以期通過減少鈦合金工件和刀具之間的摩擦，抑制工件燒傷，實現(xiàn)綠色切削。

1可充氣加壓自潤滑刀具的設(shè)計

1.1刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的新型固體粉末內(nèi)噴潤滑冷卻車刀如圖1所示，車刀主要由刀頭和基體兩部分組成，刀頭為切削部分，基體為刀柄和固定部分。主要有刀片、刀定位墊、緊固螺釘、刀桿、螺紋氣嘴、粉輸送管組成。其工作原理在壓板上加工有固體潤滑粉末流道，通過氣流壓力將固體潤滑粉末經(jīng)刀柄內(nèi)部直接施加在刀尖切削區(qū)的內(nèi)噴潤滑冷卻方法，進(jìn)而改善刀片和工件表面之間的摩擦性能，起到冷卻、潤滑、清洗和防銹的作用，不僅降低了切削溫度，提高了切削效率，還大大減少了刀具磨損，使刀具得到了有力保護(hù)。固體潤滑粉末的流速根據(jù)切削需求可調(diào)。

1.螺紋氣嘴2.壓板 3.出潤滑孔 4.刀片 5.定位墊 6.螺栓 7.刀體 8.塑料管

圖1可充氣加壓自潤滑刀具設(shè)計

1.2螺紋氣嘴設(shè)計

將固體潤滑劑粉末的進(jìn)潤滑孔與進(jìn)粉管連接，氣嘴總長度為14mm，六邊形結(jié)構(gòu)，對邊距為6.3mm，厚度為2.3mm，螺紋長度4mm，內(nèi)孔直徑為2.5mm，設(shè)計有固體粉末輸送管道和壓板的接口。

1.3壓板設(shè)計

壓板基于機(jī)械夾硬質(zhì)合金車刀的設(shè)計而成的，在整個刀具中，它起到固定刀片、刀墊和螺紋氣嘴的固定，在壓板內(nèi)部設(shè)計有潤滑劑粉末流通通道。壓板如圖2所示，潤滑劑粉末流通通道的孔直徑為1mm的孔，它可以通過高壓氣體使?jié)櫥瑒┲苯訚沧⒌角邢鞯都馕恢茫行У乇Ｗo(hù)了刀尖。連接口直徑為5.5mm，通過φ5×25的螺栓，將刀片和刀墊固定住。螺紋孔直徑為5mm，長度為10mm，是用來連接螺紋氣嘴的。在壓板上有φ5×35.8mm的通孔，目的是為了補(bǔ)充潤滑劑粉末。在壓板上有螺紋孔，也就是潤滑劑粉末補(bǔ)充孔。

1.連接孔 2.潤滑劑進(jìn)孔

1.4固體粉末輸送粉管選擇

固體粉末輸送粉管主要起到持續(xù)補(bǔ)充固體潤滑劑粉末的作用，一端通過螺紋氣嘴與車刀的固定壓板潤滑劑粉末流通通道相連，另一端與氣動吸粉泵輸送管相連，并形成粉泵原理，通過可調(diào)高壓氣流真空作用，使固體潤滑劑粉末持續(xù)定量地進(jìn)入到刀尖。粉泵的主要工作原理為，首先利用壓縮空氣的作用使粉末處在一種流化的狀態(tài)，由于粉泵的虹吸作用，潤滑粉末被高速氣流驅(qū)動，形成潤滑劑粉和干燥空氣的氣固二相體，經(jīng)過潤滑劑粉末通道，最終到達(dá)車刀刀片的切削刃部。通過調(diào)整潤滑劑粉末和壓縮空氣的參數(shù)，進(jìn)而調(diào)整潤滑劑粉末供粉量，滿足不同的車削加工需要。粉管直徑為4.5mm的采用塑料管。

1.5固體潤滑劑粉末流速選擇

在切削加工中采用內(nèi)噴固體潤滑劑粉末潤滑方式可以有效降低刀具、切屑和工件之間的摩擦系數(shù)，減少摩擦熱量降，進(jìn)而降低切削溫度，減少鈦合金的切屑和刀具面的黏結(jié)磨損，還可以降低成本，延長刀具的壽命。在本設(shè)計中采用石墨和二硫化鉬作為切削加工固體潤滑劑粉末。

根據(jù)實驗室的空氣壓縮機(jī)提供壓力p為 0~1.6MPa，因此在固體潤滑劑粉末內(nèi)噴潤滑車刀的設(shè)計中，潤滑劑粉末內(nèi)噴潤滑通道出口的噴嘴直徑d為[14]:

(1)

式中p為噴嘴處氣流壓力，MPa；

q為噴嘴處潤滑粉末流量，L/min；

n為噴嘴個數(shù)；

η為噴嘴效率系數(shù)，對高壓氣流噴嘴，η=1.05~1.10，取1.1；

根據(jù)加工要求和車刀安裝條件，本文設(shè)計的固體潤滑劑粉末內(nèi)噴車刀參數(shù)為p=0.1~1.6MPa，n=1，d=1mm，根據(jù)公式可知：

當(dāng)p=0.1 MPa時：q=0.658L/min；當(dāng)p=1.6 MPa時：q=26.32L/min；則在內(nèi)噴潤滑車刀設(shè)計好之后，可進(jìn)行不同的流速下車刀潤滑性能分析，進(jìn)而得到最適合的潤滑劑粉末流速。

2建模與方法

2.1內(nèi)噴潤滑車刀物理模型

在鈦合金車削加工時，車刀刃部、切屑和工件之間的摩擦力直接影響車刀刀尖區(qū)域和工件表層的溫度。由于鈦合金車削時局部的高溫現(xiàn)象，通常在和切屑接觸的車刀前刀面存在兩種摩擦形式，前刀面的靠近刀尖區(qū)域內(nèi)刀-屑產(chǎn)生粘結(jié)，其摩擦力為一常量；遠(yuǎn)離刀尖的區(qū)域前刀面和切屑屬于滑動摩擦，摩擦力沿遠(yuǎn)離刀尖的方向逐漸減小，直至為零，符合庫倫摩擦定律[15]。本文建立的內(nèi)噴潤滑車刀的物理模型如圖3所示，由圖可見，假定在切削過程中，車刀表面均勻涂有一層固體潤滑劑粉末顆粒。

切削工件選擇TC4合金，恒力切削，切削深度ap為0.5mm，進(jìn)給速度vw為0.75m/min，切削速度vs為5，10，15，20，25m/s。車刀片選擇為YG8材料，刀片形狀為菱形55°車刀，刀尖圓弧半徑為0.02mm，前角為5°，后角為10°。內(nèi)噴潤滑刀具與工件的之間的摩擦系數(shù)選擇為0.1，干切削時選擇為0.9。環(huán)境溫度為20℃。

圖3　固體粉末內(nèi)噴潤滑車刀物理模型

2.2有限元模型的建立

本文采用DEFORM有限元軟件切削模擬模塊，內(nèi)噴潤滑車刀與TC4工件切削仿真有限元模型如圖4所示。工件的尺寸H×L×W為58×26×16mm。為分析方便模擬分析的網(wǎng)格單元類型選擇熱應(yīng)力耦合單元C3D8RT。

圖4　內(nèi)噴潤滑車刀車削有限元模型

2.3材料模型及屬性

TC4合金車削加工中，工件變形屬于高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變速率以致發(fā)生彈塑性應(yīng)變的情況，因此采用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系模型。Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系公式[16]為

(2)

式中A為屈服應(yīng)力強(qiáng)度，B為應(yīng)變強(qiáng)化常數(shù)，n為分別應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)，c為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)，m為溫度應(yīng)變率靈敏度。另外模擬分析中的工件材料TC4合金的力學(xué)、熱學(xué)性能參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1　鈦合金TC4的力學(xué)物理性能

表2　鈦合金TC4的熱性能

2.4計算方法與邊界條件設(shè)置

在內(nèi)潤滑車刀刀片與TC4合金工件之間的切屑前刀面和后刀面上，存在粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)，分別對應(yīng)兩種摩擦規(guī)律。其中在車刀刀片前刀面上不同位置比較摩擦剪應(yīng)力τf與最大剪應(yīng)力τs，進(jìn)而判斷是否屬于粘結(jié)區(qū)。當(dāng)τf>τs時，單元節(jié)點位于粘結(jié)摩擦區(qū)，否則位于滑動摩擦區(qū)[17]。

針對內(nèi)潤滑車刀刀片與TC4合金工件間摩擦生熱模擬需求，采用SI國際單位標(biāo)準(zhǔn)，仿真模式選擇熱傳遞和變形，求解器選擇C-G法。步數(shù)設(shè)置為3000步，存儲增量為每2步保持一次，切削長度步長設(shè)置為1mm。并且根據(jù)需要在仿真過程中進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分網(wǎng)格劃分方式為相對類型。刀具 size ratio 設(shè)置為3，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為25000；刀具 size ratio 設(shè)置為1，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為30000。

X、Y方向的位移外側(cè)邊界設(shè)置限制的，固體內(nèi)噴潤滑車刀與工件之間的摩擦性能通過設(shè)置不同的摩擦系數(shù)和刀具涂層參數(shù)來體現(xiàn)。

3結(jié)果與分析

在切削速度vs為20m/s時，工件表面溫度分布云圖如圖5~圖7所示。其中圖5為分析步為840時云圖，圖6為分析步為1340時云圖，圖7為分析步1340時局部放大圖。由圖可見，刀尖區(qū)域最高溫度約為850℃，切屑上的溫度明顯高于工件表層溫度。內(nèi)噴潤滑刀具切削時工件表層殘余壓應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖可見，工件表層最大壓應(yīng)力約為506MPa，工件表層的殘余應(yīng)力以刀尖為中心，呈扇形向周圍逐漸減小，最高值出現(xiàn)在距刀尖1mm區(qū)域。

圖5　840分析步時切削溫度云圖

圖6　1340分析步時切削溫度云圖

圖7　模擬分析切削溫度場云圖局部放大

圖8　模擬分析工件表層殘余應(yīng)力場云圖

內(nèi)噴潤滑車刀切削和干切削時不同切削速度下的刀尖溫度如圖9所示。由圖可見，潤滑切削模擬分析時的車刀刀尖的溫度明顯低于干切削模擬分析結(jié)果。這說明通過內(nèi)噴潤滑的方式切削通過降低摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低刀尖與工件之間的摩擦力，可以使得切削過程中產(chǎn)生的熱量減少，最終在工件表面積聚的熱量變少。不同摩擦系數(shù)下工件表層最大殘余應(yīng)力的變化曲線如圖10所示，由圖可見，隨著摩擦系數(shù)的增大，工件表層殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢。這說明刀片刀尖與工件間的切削摩擦系數(shù)也影響到工件表層的殘余應(yīng)力的大小，由于摩擦系數(shù)的增大，造成切向力增大，從而會使表層殘余拉應(yīng)力增大。

圖9　內(nèi)噴潤滑車刀刀尖模擬溫度

圖10　內(nèi)噴潤滑車削工件最大殘余應(yīng)力

4結(jié)論

本文通過對可充氣加壓式固體內(nèi)噴潤滑車刀結(jié)構(gòu)設(shè)計、潤滑性能模擬研究，在切削過程中，工件表層的切削溫度受刀-工件間摩擦力的影響比較大，同時，由于工件表層溫度的增高，工件表層產(chǎn)生熱軟化。研究發(fā)現(xiàn)固體內(nèi)噴潤滑車刀可通過降低車刀與改善磨削摩擦性能達(dá)到降低磨削溫度目的。固體內(nèi)噴潤滑刀具通過降低刀尖-工件間的摩擦系數(shù)，可使工件表層最高溫度明顯降低。

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(編輯李秀敏)