涂層刀具高速車削高強度合金鋼有限元仿真*

房友飛，牛宗偉，鄭光明，邵珠恒

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

涂層刀具高速車削高強度合金鋼有限元仿真*

房友飛，牛宗偉，鄭光明，邵珠恒

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

針對高強度合金鋼難加工的特點，選用不同涂層刀具進行了有限元分析，研究了刀具與工件的熱—力性能匹配，并分析了切削參數(shù)對刀具應(yīng)力和切削溫度的影響。研究結(jié)果表明：在相同切削的條件下，應(yīng)力最小的是TiC涂層刀具，其次是TiCN，Al2O3最大；切削溫度最高的是Al2O3涂層刀具，TiCN次之，TiC最低。在刀具應(yīng)力和切削溫度的作用下，TiC涂層刀具后刀面易受到破壞，Al2O3涂層刀具刀尖易受到破壞，TiCN其前刀面易受到破壞，TiC涂層能夠有效的降低刀具和加工表面溫度，有利于提高刀具的耐用度。在不同的切削條件下，切削用量對TiCN和TiC涂層刀具的影響基本相同，Al2O3受影響較大。

涂層刀具；刀具應(yīng)力；切削溫度；性能匹配；切削參數(shù)

0 引言

300M超合金鋼具有高強度、高硬度、高韌性、等特點，在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]，但切削過程中體現(xiàn)出的切削力大、切削溫度高，刀具磨損嚴重等問題，使其成為了典型的難加工材料[2]。國內(nèi)外學者選用硬質(zhì)合金、陶瓷和CBN等刀具材料加工高強度鋼做過基礎(chǔ)性工作[3-5]。R.suresh等[6]采用多涂層刀具切削高強度鋼，研究切削條件對刀具加工性能的影響。馮振興等[7]研究了切削用量和刀具工作前角對切削力的影響。魏效玲等[8]運用仿真軟件對刀具幾何參數(shù)與切削力關(guān)系進行了研究。杜旭[9]研究了切削參數(shù)對切削力和切削熱的影響。但上述研究并未涉及到高速切削過程中熱力學變化過程，針對高速車削高強度鋼刀具材料的性能匹配方面，有待進一步研究。

本文選用經(jīng)濟性能好的(TiC，TiCN，Al2O3)涂層硬質(zhì)合金刀具，對300M鋼進行高速車削仿真加工，基于切削過程受到切削區(qū)域不均勻熱—力耦合強應(yīng)力場的綜合影響，研究刀具——工件的熱力學性能匹配關(guān)系，并進行單因素仿真試驗，研究不同切削速度、進給量和切削深度對涂層刀具的影響程度，揭示刀具、工件、切削系統(tǒng)的綜合性能匹配關(guān)系。

1 有限元模型的建立與仿真

1.1 模型建立

本文選用的刀片材料為WC，分別選取TiC、TiCN、Al2O3涂層，同時，將刀具定義為帶熱傳導剛體，初始溫度為20℃。刀具角度(主偏角、副偏角、刃傾角)選取經(jīng)驗值( 45°、2°、-15°)。

工件材料為高強度合金鋼，為了減少計算量，工件選取其外表面靠近刀具的一小部分作為研究對象。刀具和工件模型如圖1所示。將工件定義為變形工件，在運動分析中使刀具同時作旋轉(zhuǎn)和進給運動，而工件的內(nèi)表面施加全約束，這樣就完全模擬了車削的運動過程[10]。

圖1 刀具和工件的有限元模型

1.2 材料的力學本構(gòu)關(guān)系

本文采用Johnson-Cook模型[11-12]：

表1 AISI4340的Johnson-Cook參數(shù)

1.3 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真初始切削參數(shù)設(shè)定為(v=200m/min，ap=0.5mm，f=0.3mm/r)，摩擦因數(shù)設(shè)為0.6，散熱系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃)，導熱系數(shù)45W/(m·K)。給工件內(nèi)表面施加全約束，刀具做進給運動，網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，采用網(wǎng)格尺寸控制法劃分網(wǎng)格。單因素參數(shù)如表2所示。

表2 單因素實驗參數(shù)設(shè)計

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 刀具——工件切削應(yīng)力的研究

從圖2中可看出，Al2O3涂層刀具刃前區(qū)所受的應(yīng)力最大，其次為TiCN涂層刀具，應(yīng)力沿著刀尖向外逐漸遞減；由于沖擊變形作用使涂層內(nèi)部壓應(yīng)力急劇增大，隨著刀具繼續(xù)切入工件，刀具應(yīng)力逐漸穩(wěn)定在某一范圍。TiCN涂層刀具的應(yīng)力波動較大，Al2O3涂層刀具應(yīng)力波動最穩(wěn)定，TiC涂層應(yīng)力波動范圍最小。表明高速車削高強度鋼時TiCN涂層更易受到破壞。

(v=200m/min，ap=0.5mm，f=0.3mm/r,t=0.9ms)圖2 涂層刀具切削高強度鋼時的刀具應(yīng)力

從圖3中可看出，在刀工接觸區(qū)，TiC涂層刀具切削時工件的應(yīng)力梯度變化較小，Al2O3和TiCN涂層刀具切削時工件的應(yīng)力梯度變化相當。工件所受拉應(yīng)力最小的是Al2O3，其次是TiCN，TiC。壓應(yīng)力最大的是TiC，其次是TiCN，Al2O3。如果拉應(yīng)力超過材料的強度極限,就會在應(yīng)力區(qū)域內(nèi)材料最弱的地方首先發(fā)生裂紋或者立即破損，工件所受應(yīng)力反作用于涂層刀具上，由此可推測：TiC涂層刀具后刀面易受到破壞，Al2O3涂層刀具刀尖易受到破壞。TiCN應(yīng)力變化不穩(wěn)定與前刀面與切屑接觸區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力變化相近，預(yù)測其前刀面易受到破壞。

(v=200m/min，ap=0.5mm，f=0.3mm/r,t=0.9ms)圖3 涂層刀具切削高強度鋼時的工件應(yīng)力

2.2 刀具——工件切削溫度的研究

從圖4中可以看出，刀具溫度迅速升高，Al2O3涂層刀具溫度升高速率最快。前后刀面上的最高溫度點出現(xiàn)在刀尖區(qū)域，Al2O3涂層溫度最高， TiC和TiCN涂層刀具溫度較低，由于溫度低可以推測可能是摩擦熱低，TiC和TiCN涂層降低了刀工接觸的摩擦系數(shù)，能較好的降低刀具的溫度。

(v=200m/min，ap=0.5mm，f=0.3mm/r,t=0.9ms)圖4 涂層刀具切削高強度鋼時的刀具溫度

從圖5中可以看出，刀具與工件接觸區(qū)，TiC涂層刀具切削的工件溫度較低，說明該涂層與工件的接觸長度小，涂層起到熱障作用，大部分熱量隨切屑帶走。切削溫度的最高值都是出現(xiàn)在工件切削層的第二變形區(qū), 并且位于主切削刃附近，沿著第二變形區(qū)向外逐漸降低。溫度最高的是Al2O3，TiCN次之，TiC最低。刀—削之間的相對滑動速度大，壓力高，切屑和刀具之間摩擦擠壓及塑性變形作用，使溫度升高，而高的溫度會直接導致刀具磨損的加速，刀具壽命的降低。第三變形區(qū)的切削熱則主要是由于刀具后刀面和工件已加工表面之間的擠壓和摩擦而形成的，已加工表面的溫度最小的是TiC涂層，Al2O3，TiCN涂層溫度相近，說明TiC涂層對已加工表面的影響較小。

(v=200m/min，ap=0.5mm，f=0.3mm/r,t=0.9ms)圖5 涂層刀具切削 300M鋼時的工件溫度

2.3 切削用量對不同涂層刀具切削溫度的影響

從圖6中可以看出，隨著切削速度的增加，涂層刀具的切削溫度也增加，Al2O3涂層刀具溫度在高速下增長顯著，TiCN和TiC涂層刀具溫度增長趨勢基本一致；進給量較小時，各涂層刀具溫度上升，進給量增大一倍，TiCN和TiC涂層刀具切削溫度降低了30%左右，Al2O3降低的幅度較大，增大進給量可以降低涂層刀具的溫度。進給量增加，單位時間內(nèi)的金屬變形系數(shù)減小，刀具與切屑的摩擦熱減少，會減少切削熱。切削深度增加，各涂層的溫度增長趨勢基本保持穩(wěn)定，所以高速車削300M鋼，對涂層刀具切削溫度影響程度是v>f>ap。

(f=0.3mm/r,ap=0.5mm,t=0.1ms) (a)切削速度對切削溫度的影響

(v=200m/min,ap=0.3mm,t=0.4ms) (b)進給量對切削溫度的影響

(v=200m/min,f=0.3mm/r,t=0.2ms)(c)切削深度對切削溫度的影響圖6 切削溫度隨切削用量的變化情況

2.4 切削用量對不同涂層刀具應(yīng)力的影響

從圖7中可以看出，當進給量較低時，進給量對刀具應(yīng)力的影響較明顯，但隨著進給量的增加，各涂層刀具應(yīng)力降低；切削速度對涂層刀具應(yīng)力的影響最小，各涂層刀具在相同切削速度下所受應(yīng)力基本保持一致；切削深度對涂層刀具應(yīng)力的影響較大，隨著切削深度的增加將出現(xiàn)大應(yīng)力變形導致刀具損壞。為保證切削效率和刀具強度，在選擇切削參數(shù)時，可以優(yōu)先選取較高切削速度，其次考慮較大的進給量。

(f=0.3mm/r,ap=0.5mm,t=0.1ms)(a)刀具應(yīng)力隨切削深度變化

(v=200m/min,ap=0.3mm,t=0.4ms) (b)刀具應(yīng)力隨進給量變化

(v=200m/min,f=0.3mm/r,t=0.2ms)(c)刀具應(yīng)力隨切削深度變化圖7 刀具應(yīng)力隨切削用量的變化情況

3 結(jié)束語

上述仿真實驗針對高速車削高強度鋼300M使用三種不同材料涂層的刀具，進行刀具和工件的力—熱耦合性能匹配研究，并進一步研究了切削參數(shù)對切削過程中力—熱的影響，得到如下結(jié)果:

(1)刀具的最大應(yīng)力出現(xiàn)在前刀面主切削刃附近，同時在后刀面靠近主切削刃的地方出現(xiàn)了較大的等效應(yīng)力，這與實際切削過程基本相似。通過分別研究刀具與工件的應(yīng)力變化，可以預(yù)測，TiC涂層刀具后刀面易受到破壞，Al2O3涂層刀具刀尖易受到破壞，TiCN前刀面易受到破壞。

(2)刀具前刀面靠近切削刃的地方切削溫度最高，因此刀具的這個部分最容易發(fā)生擴散磨損而形成月牙洼。通過研究刀具和工件表面在切削過程中的溫度分布，可以預(yù)測，在刀具與切屑接觸區(qū)，Al2O3涂層刀具最易形成月牙洼，TiCN涂層刀具能較好的降低刀具溫度，TiC涂層刀具切削溫度最低，但在刀刃和后刀面區(qū)域溫度變化大易磨損。TiC涂層對已加工表面的影響最小。

(3)各涂層刀具溫度受切削速度的影響大，Al2O3涂層刀具溫度受影響較大，增大進給量可以降低涂層刀具的溫度，切削深度對各涂層溫度影響最?。桓魍繉拥毒咴谙嗤邢魉俣认滤軕?yīng)力基本保持一致，較大的進給量可以降低刀具應(yīng)力，切削深度對各涂層應(yīng)力影響最大。

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(編輯 李秀敏)

Finite Element Simulation of High Speed Turning of High Strength Alloy Steel by Coating Tools

FANG You-fei, NIU Zong-wei, ZHENG Guang-ming, SHAO Zhu-heng

(School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255000, China)

In view of the characteristics of high strength alloy steel, the finite element analysis is carried out with different coating tools. The thermal and mechanical properties of the tool and the workpiece are analyzed. The influence of cutting parameters on the cutting parameters and cutting temperature is analyzed. The research results show that: in the same cutting conditions, the stress is the minimum of the TiC coating tool, followed by TiCN, Al2O3maximum; cutting temperature is the highest Al2O3coating tool, TiCN times, TiC minimum. In cutting force and cutting temperature of the role and TiC coating tool rake face is easy to be damaged, Al2O3coating cutting tool is easy to be damaged, TiCN the rake face is easy to be damaged, TiC coating can effectively reduce tool and machined surface temperature, is conducive to improve the cutting tool durability. Under different cutting conditions, the influence of cutting parameters on the TiCN and TiC coating tools is identical basically. Al2O3is affected by the larger.

coating tool; tool stress; cutting temperature; performance matching ; cutting parameters

1001-2265(2017)01-0012-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.004

2016-01-19；

2016-02-20

國家自然科學基金(51505264)；山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2014ZZ005)；山東省自然科學基金(2015ZRB01917)

房友飛(1988—)，男，山東萊陽人，山東理工大學碩士研究生，研究方向為高速切削，(E-mail)fangyoufei88@126.com。

TH142; TG506

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