切削刀具刃口鈍化復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

楊 勇 ，郭玉文

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院 清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟研究中心，北京 100012；2.青島理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 青島 266520）

1 引言

隨著高速切削技術(shù)與數(shù)控機床的發(fā)展，對高質(zhì)量刀具的需求量越來越大，在刀具材料、刀具涂層與刀具結(jié)構(gòu)方面的研究在不斷深入，刀具刃口鈍化技術(shù)也在切削刀具上得到了廣泛應(yīng)用。大量實踐表明，采用刃口鈍化的刀具，不僅能夠延長刀具壽命，而且可以獲得較高的加工表面質(zhì)量，并顯著降低加工成本。因此，深入開展刀具刃口鈍化技術(shù)的研究，對提高刀具制造水平、促進高速切削技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的意義和應(yīng)用價值。

雖然刀具刃口鈍化技術(shù)十分重要，但是，該項技術(shù)并未得到重視，當(dāng)前僅有少數(shù)研究被報道。文獻[1]對刀具刃口鈍化技術(shù)的概念進行了定義，簡單分析了刀具刃口鈍化對于刀具切削加工的影響。通過切削試驗，總結(jié)出一些常用的鈍化參數(shù)及各種刀具刃口鈍化尺寸計算公式；文獻[2]通過硬質(zhì)合金刀具刃口鈍化方式的試驗研究，從鈍化效率、鈍化質(zhì)量（刃口的均勻性）兩個方面分析對比了三種鈍化方式（手工鈍化、刀具在研磨粉中鈍化、電解機械復(fù)合方式鈍化）的工藝特點。研究表明，電解機械復(fù)合方式鈍化適用于鈍化直線型刃口的刀具；文獻[3]根據(jù)磨料水射流作用下材料去除理論，分析了磨料水射流對硬質(zhì)合金刀片刃口鈍化的材料的去除機制；文獻[4]采用電化學(xué)加工方法對硬質(zhì)合金刀片進行了刃口鈍化研究。實驗結(jié)果表明，電化學(xué)鈍化硬質(zhì)合金刀片刃口可獲得較好的效果，能在短時間內(nèi)獲得接近30μm的鈍圓半徑；文獻[5]研究了絲錐刃口鈍化的方法，通過對未鈍化與經(jīng)過鈍化絲錐的切削進行了實驗分析。研究表明，對絲錐進行適當(dāng)?shù)娜锌阝g化不僅可以減小絲錐切削時承受的扭矩，而且能夠緩解其攻絲過程中的載荷波動。

以上研究只是對刀具刃口鈍化的基本概念、工藝、鈍化方法進行了初步研究，但并未涉及刀具刃口鈍化的核心內(nèi)容—刃口鈍化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。鑒于該現(xiàn)狀，采用有限元仿真技術(shù)對刀具刃口鈍化的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析和優(yōu)化設(shè)計，以完善刀具刃口鈍化的基礎(chǔ)理論，并為刀具刃口鈍化結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)的創(chuàng)新設(shè)計與改進提供借鑒。

2 材料本構(gòu)關(guān)系模型的建立

建立正確的材料本構(gòu)模型是切削加工過程有限元仿真的前提條件?？紤]切削過程具有的高溫度、高應(yīng)變率和大應(yīng)變特征，在加工過程有限元仿真中采用Johnson-Cook模型最為理想。該模型能夠反映出材料在劇烈變形中的彈塑性力學(xué)性能[6]。該材料本構(gòu)模型的具體數(shù)學(xué)形式，如式（1）所示。

式中：σ—材料性能變化的流動應(yīng)力；ε—應(yīng)變；ε˙—應(yīng)變率；T—溫度；A—準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強度；B、n—應(yīng)變硬化參數(shù)；C—應(yīng)變率強化參數(shù)；m—熱軟化參數(shù)；ε˙0—準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率取1/s；Tmelt—材料熔點，取為1560℃；Troom—常溫取20℃。

通過SHPB（霍普金森壓桿實驗）計算Johnson-Cook模型的參數(shù)。不同溫度和應(yīng)變率組合下的試樣設(shè)計和實驗過程，如圖1、圖2所示。根據(jù)實驗結(jié)果擬合得到鈦合金Ti6Al4V的Johnson-Cook模型系數(shù)。由此建立具體的本構(gòu)模型，如式（2）所示。

圖1 不同溫度和應(yīng)變率組合下的試樣設(shè)計Fig.1 Sample Design at Different Temperature and Strain Rate

圖2 沖擊壓縮實驗過程Fig.2 Shock Compression Experiment Process

3 有限元仿真與實驗驗證

以鈦合金為工件材料，采用切削仿真專業(yè)軟件Advantedge，建立鈦合金三維銑削加工有限元仿真模型，如圖3所示。為提高計算速度，只建立部分工件幾何模型，在刀具切削經(jīng)過區(qū)域加密網(wǎng)格單元，以保證運算精度。鈦合金材料的物理屬性考慮了溫度變化的影響，如表1所示。運動約束設(shè)置為：工件保持固定，而刀具除了約束Z方向平行運動，其他方向不做限制。銑削參數(shù)為：軸向銑削深度ap=1.5，徑向銑削深度ae=8mm，銑削速度vc=80m/min，每齒進給量fz=0.1mm。初始環(huán)境溫度設(shè)為20℃。為驗證有限元仿真模型的可靠性，進行鈦合金銑削力實驗。實驗切削參數(shù)與仿真相同，刀具采用山高公司R217.69-2525.3-09A型號可轉(zhuǎn)位銑刀，材質(zhì)為無涂層硬質(zhì)合金。機床用DAEWOOACE-V500加工中心，其額定功率為15kW，最大扭矩為286.2Nm。采用Kistler9257測力儀進行銑削力測量，實驗測量過程，如圖4所示。將有限元仿真得到的銑削力與實驗測量結(jié)果進行對比，如圖5所示。從圖中可以看出，X、Y和Z方向的銑削力隨銑削時間的變化趨勢和實驗測量銑削力是一致的，盡管X方向（進給方向）的銑削力的數(shù)值稍小于實驗值外，但最大值和實驗測量值相近，而Y和Z方向的銑削力數(shù)值和實驗值具有較好的吻合度。以上切削力比較，可以看出有限元仿真結(jié)果和試驗結(jié)果是比較一致的，表明所有限元模型是正確的，可以基于該有限元模型進一步進行切削刀具結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化研究。

表 1 Ti6Al4V物理屬性Tab.1 Physical Attributes of Ti6Al4V

圖3 鈦合金三維銑削加工有限元仿真模型Fig.3 Three-Dimensional Milling Finite Element Simulation Model of Titanium Alloy

圖4 銑削力測量現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 The Milling Force Measuring Picture

圖5 仿真銑削力與實驗測量值比較Fig.5 Comparison of Simulation and Measurement Results of Milling Forces

4 刀具刃口鈍化復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

采用Advantedge軟件仿真刀具切削過程，對不同刃口型式的切削效果進行比較和分析，優(yōu)化得到和圓弧鈍化結(jié)構(gòu)最佳匹配的刃口型式，建立針對鈦合金加工的最優(yōu)刀具刃口鈍化復(fù)合結(jié)構(gòu)。有限元仿真分析采用的切削參數(shù)為：切削速度60 m/min，每齒進給量0.2 mm，切削深度3 mm。不同刃帶寬度的復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果與分析如下面小節(jié)。

4.1 刃帶寬度b01=0.04mm

分別對倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)和白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)的切削過程進行有限元仿真。其中采用倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表2所示。采用消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表3所示。采用白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表4所示。

表2 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.2 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

表3 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.3 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

表4 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.4 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

從上述三種復(fù)合結(jié)構(gòu)切削有限元仿真結(jié)果可以看出，其中倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真產(chǎn)生的切削力和切削溫度均小于消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真產(chǎn)生的切削力和切削溫度。由于切削力、切削溫度直接影響著刀具壽命，切削力、切削溫度值越小刀具壽命越高，因此，可以得出：刃帶寬度b01=0.04mm條件下，倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)的切削性能最優(yōu)，倒棱刃口型式是與圓弧鈍化結(jié)構(gòu)最佳匹配的。

4.2 刃帶寬度b01=0.06mm

分別對倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)和白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)的切削過程進行有限元仿真。用倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表5所示。用消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表6所示。用白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表7所示。

表5 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.5 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

表6 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.6 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

表7 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.7 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

從上述三種復(fù)合結(jié)構(gòu)切削有限元仿真結(jié)果可以看出，其中倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真產(chǎn)生的切削力和切削溫度均小于消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真產(chǎn)生的切削力和切削溫度。由于切削力、切削溫度直接影響著刀具壽命，切削力、切削溫度值越小刀具壽命越高，可以得出：刃帶寬度b01=0.06mm條件下，倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)的切削性能最優(yōu)，倒棱刃口型式是與圓弧鈍化結(jié)構(gòu)最佳匹配的。

4.3 刃帶寬度b01=0.08mm

分別對倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)和白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)的切削過程進行有限元仿真。其中采用倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表8所示。采用消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表9所示。采用白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值，如表10所示。

表8 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.8 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

表9 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.9 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

表10 X向切削力、Y向切削力和切削溫度仿真最大值Tab.10 The Maximal Simulation Values of Cutting Forces in X and Y Direction and Cutting Temperature

從上述三種復(fù)合結(jié)構(gòu)切削有限元仿真結(jié)果可以看出，其中倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真產(chǎn)生的切削力和切削溫度均小于消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真產(chǎn)生的切削力和切削溫度。由于切削力、切削溫度直接影響著刀具壽命，切削力、切削溫度值越小刀具壽命越高，因此，可以得出：刃帶寬度b01=0.08mm條件下，倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)的切削性能最優(yōu)，倒棱刃口型式是與圓弧鈍化結(jié)構(gòu)最佳匹配的。

綜合以上三種不同刃帶寬度下的倒棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、消振棱與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)、白刃與鈍圓復(fù)合結(jié)構(gòu)切削有限元仿真比較和分析，可以得出：倒棱刃口型式與圓弧鈍化結(jié)構(gòu)是最佳匹配的，倒棱與鈍圓形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)是切削鈦合金的最優(yōu)刀具刃口微結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）面向刀具刃口鈍化結(jié)構(gòu)研究，建立了三維銑削加工有限元仿真模型；進一步研究了材料本構(gòu)關(guān)系模型有限元仿真關(guān)鍵技術(shù)。為驗證有限元模型的可靠性，進行了切削實驗。實驗分析表明，有限元仿真結(jié)果和實驗結(jié)果比較一致，所建立的有限元模型是正確的；在此基礎(chǔ)上，利用該有限元模型，針對倒棱刃、消振棱刃、白刃三種刀具刃口型式，對不同刃帶寬度和不同刃口型式下的切削效果進行了比較和分析，獲得了切削鈦合金的最優(yōu)刀具刃口微結(jié)構(gòu)-倒棱與鈍圓形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

（2）以往切削加工有限元模型主要是二維模型，本研究建立了三維銑削加工有限元仿真模型，從而更符合實際情況，該模型是對以往有限元仿真模型的改進和提高；另外，當(dāng)前有關(guān)刃口鈍化研究很少涉及鈍化結(jié)構(gòu)方面，本研究以刀具刃口微結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)，采用有限元仿真和實驗相結(jié)合方法，獲得了切削鈦合金的最優(yōu)刀具刃口結(jié)構(gòu)，該方面是對當(dāng)前刃口鈍化結(jié)構(gòu)研究的完善。

（3）研究成果為加工鈦合金的刀具刃口鈍化工藝過程準(zhǔn)備了合理的結(jié)構(gòu)形式，為進行高質(zhì)量的刀具刃口鈍化處理奠定了基礎(chǔ)。

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