涂層硬質(zhì)合金刀片微槽微織構(gòu)復(fù)合設(shè)計*

劉楊 ,劉勇, 鄒中妃 ,劉冰, 譚一丁，何林,2

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025 2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

0 引言

在切削過程中，切削熱極易集中在刀具前刀面的一個微小區(qū)域使得該區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致刀具前刀面粘結(jié)磨損、擴散磨損等物理現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致刀具的磨損破損直至失效并嚴重影響工件的表面加工質(zhì)量。因此，如何在干切削加工過程中，減少切削熱的產(chǎn)生或增加切削熱的擴散，降低刀具的切削溫度至關(guān)重要。

基于摩擦學(xué)和仿生學(xué)原理，很多學(xué)者設(shè)計了不同形狀的微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的微織構(gòu)能夠有效改善刀屑接觸面間的摩擦狀態(tài)，減小切削力，從而減少切削熱的產(chǎn)生[1-5]。Jianfeng Ma等通過在刀具前刀面置入微凸塊、微孔織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)：微凸起和微孔織構(gòu)能夠有效降低切削力，從而減小加工過程中切削能的消耗，并有效減小刀屑接觸長度[6-7]。 Anis Fatina 等通過在刀具前-后刀面置入微溝槽，正交切削AISI4140，研究發(fā)現(xiàn)：織構(gòu)刀具相對于無織構(gòu)刀具而言具有更好的切削性能，織構(gòu)刀具能夠有效降低切削力、進給力、摩擦系數(shù)及壓縮比[8]。Varun Sharma 等通過在混合織構(gòu)自潤滑切削刀片進行了混合織構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，研究發(fā)現(xiàn)：表面織構(gòu)對降低切削力有顯著的效果，織構(gòu)模式尺寸對刀屑接觸面間的接觸面積及剪切強度的控制起到主要作用[9]。杜宏益等根據(jù)穿山甲鱗片摩擦磨損特性設(shè)計矩形織構(gòu)刀具，研究發(fā)現(xiàn)：沿流屑方向微織構(gòu)模型最有利于降低切削力和刀具溫度，從而延長刀具使用壽命，提高對難加工材料的加工效率[10-14]。除此之外，貴州大學(xué)團隊基于刀片前刀面切削溫度分布創(chuàng)新設(shè)計涂層硬質(zhì)合金微槽車刀并取得了一定的成果。蔣宏婉[15]、占剛[16]等通過在前刀面切屑刃近域置入微槽發(fā)現(xiàn)，所置入的微槽能夠有效的降低剪切能與摩擦能，改善工件表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。綜上所述，前者主要對微織構(gòu)刀具前刀面摩擦性能及切削性能進行研究，并未對刀具切削能及切削溫度的影響進行研究，后者只針對單一結(jié)構(gòu)特征對刀具切削能、切削溫度及殘余應(yīng)力等方面進行了研究，因此本文提出多種結(jié)構(gòu)特征組合的方式，基于刀具前刀面切削刃近域切削溫度分布，以干切削加工石油管道40CrMnMo材料的涂層硬質(zhì)合金微織構(gòu)車刀[15](以下簡稱微槽車刀)為例，研究其對刀具切削溫度、切削力以及工件表面殘余應(yīng)力的影響。

1 有限元仿真模型

本文采用DEFORM 3D軟件對切削溫度以及已加工表面殘余應(yīng)力進行仿真分析。仿真切削參數(shù)根據(jù)企業(yè)提供的實際切削加工參數(shù)進行設(shè)置，所選用的加工工藝參數(shù)：切削速度v=115m/s,切深a=2mm,進給量f=0.42(mm/r)，選用4層涂層的設(shè)計與原刀片的涂層設(shè)計相同，涂層順序由內(nèi)到外為：TiN,TiCN,TiN,AlO3，相應(yīng)的涂層厚度分別為：1μm，5μm，1μm，5μm。

本文的工件材料為石油管道材料AISI4140。本文所采用的工件材料流動應(yīng)力特性模型如式(1)所示。在仿真過程中工件采用彎曲模型，模型外徑為100mm，弧角為20°，并將工件設(shè)置為彈塑性體，以便觀察工件表面的殘余應(yīng)力。

(1)

2 微槽微織構(gòu)復(fù)合刀片設(shè)計

本文開展微槽微織構(gòu)設(shè)計的原車刀和微槽車刀分別如圖1所示。所設(shè)計的三種新型微槽微織構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2、圖3和圖4。TCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)及BCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)均為兩因素三水平,分別如表1、表2所示。需要說明的是，波紋型微織構(gòu)的單個波型由4段相同的圓弧組成，因此波紋型微織構(gòu)的形狀由單個圓弧半徑及其弧度值決定。SCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計綜合TCT和BCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計，微織構(gòu)置入位置與前兩把刀的微織構(gòu)置入?yún)^(qū)域一致，微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)同樣綜合前兩種微織構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，因此SCT微織構(gòu)車刀的設(shè)計參數(shù)為四因素三水平，如表3所示。表3中，波紋型微織構(gòu)的弧度值是由BCT仿真實驗結(jié)果確定的，該弧度值對應(yīng)的降溫效果最好。由文獻[10]可知，當(dāng)微織構(gòu)沿流屑角的方向時降溫效果最好。因此在BCT和SCT中波紋型微織構(gòu)均沿流屑角的方向。依據(jù)流屑角計算公式[17]，計算得流屑角為2.38°。

(a)原車刀(YCT) (b)微槽車刀(WCT)圖1 原刀與微槽車刀

圖2 條紋型微織構(gòu)

(a) 波紋型微織構(gòu)俯視圖

(b) 波紋型微織構(gòu)側(cè)視圖圖3 波紋型微織構(gòu)

圖4 梳齒形微織構(gòu)

微織構(gòu)參數(shù)數(shù)值單個微織構(gòu)寬度k1(mm)0.03,0.04,0.05微織構(gòu)深度(mm)0.03,0.04,0.05微織構(gòu)最大長度K(mm)0.36微織構(gòu)端部到副切削的距離h(mm)0.065寬間比1微織構(gòu)覆蓋長度L2(mm)0.8

表2 波紋型微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)

表3 梳齒形微織構(gòu)參數(shù)設(shè)計

表4 刀片的幾何和工作角度

表5 刀片材料的機械物理性能

3 微槽微織構(gòu)設(shè)計優(yōu)選

本節(jié)分別對TCT、BCT和SCT三種新型微槽微織構(gòu)涂層硬質(zhì)合金車刀進行單因素仿真實驗，探究微織構(gòu)參數(shù)對切削溫度的影響規(guī)律，并基于最佳降溫效果優(yōu)選出三種微槽微織構(gòu)設(shè)計。WCT車刀與YCT車刀的切削溫度分布云圖如圖5、圖6所示。

圖5 YCT切削溫度分布云圖 圖6 WCT切削溫度分布云圖

3.1 條紋型微織構(gòu)設(shè)計優(yōu)選

切削溫度隨條紋形微織構(gòu)寬度和深度的變化曲線如圖7所示。從曲線圖中可以看出：切削溫度隨著條紋形微織構(gòu)寬度和深度的增加而上升，但都遠遠小于微織構(gòu)車刀和原車刀的切削溫度。這是因為在副切削刃靠近刀尖區(qū)域的條紋形微織構(gòu)在切削過程中減小了刀屑接觸面間的接觸面積，減少了刀屑接觸面間的摩擦，減少了熱量的產(chǎn)生。當(dāng)條紋微織構(gòu)的寬度在0.03mm，深度在0.03mm時，切削溫度最低，此時與YCT相比降低了34%，與WCT相比降低了17.83%,圖8為該微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)下的切削溫度分布云圖。這是因為寬度越小，起作用的微織構(gòu)個數(shù)就越多，從而刀屑間的接觸面積越少，摩擦就越少，產(chǎn)生的熱量就越低；從文獻[18]可知，在切削過程中，刀具的前刀面承受很大的壓力，當(dāng)微織構(gòu)深度越深時，微織構(gòu)與切屑之間可能會發(fā)生二次切削，增大了切削力，從而使得切削溫度升高。從圖8中可以看出，條紋型微織構(gòu)的置入能夠有效降低置入?yún)^(qū)域的切削溫度，改變了刀屑間的摩擦狀態(tài)，降低了切削熱的產(chǎn)生。

綜上所述，條紋型微織構(gòu)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)為：微織構(gòu)寬度為0.03mm,微織構(gòu)深度為0.03mm(以下簡稱TCT-Y)。

圖7 切削溫度隨條紋形微織構(gòu)寬度和深度的變化曲線

圖8 條紋形微織構(gòu)寬度為0.03mm,深度為0.03mm時的切削溫度分布云圖

3.2 波紋型微織構(gòu)設(shè)計優(yōu)選

圖9為切削溫度隨波紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線圖。從曲線圖中可以看出：切削溫度隨著波紋型微織構(gòu)圓弧半徑值R的增加而上升，隨著微織構(gòu)弧度的增加先下降后上升，在微織構(gòu)半徑R為0.05mm弧度為70°時，存在最高溫，且低于微織構(gòu)車刀和原車刀的切削溫度；在微織構(gòu)半徑為0.03mm，對應(yīng)弧度為60°時，切削溫度最低，與原刀相比降低29.89%，與微織構(gòu)車刀相比降低了12.58%，圖10為該微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)下的切削溫度分布云圖。從圖10中可以看出，刀片前刀面的最高溫分布發(fā)生了改變，刀片前刀面的切削溫度降低。這是因為波紋型微織構(gòu)的存在增大了切屑與刀具前刀面接觸面積，增大了刀具前刀面主切削刃近域刀屑接觸面間的傳熱面積，因此微織構(gòu)圓弧半徑越小，在切削過程中起作用的微織構(gòu)個數(shù)就越多，所以微織構(gòu)圓弧半徑值在0.03mm時，切削溫度最低;同時波紋型微織構(gòu)的存在降低了刀具在刀-屑接觸處區(qū)的正應(yīng)力，使得原本刀-屑接觸區(qū)部分內(nèi)摩擦區(qū)域轉(zhuǎn)化為外摩擦區(qū)域即粘結(jié)摩擦區(qū)轉(zhuǎn)化為滑動摩擦區(qū)，由于內(nèi)摩擦區(qū)域是刀具熱量的主要來源，該區(qū)域的減小導(dǎo)致了刀具溫度降低；除此之外，波紋型微織構(gòu)的方向沿流屑角的方向，對切屑的流出具有一定的疏導(dǎo)作用，減小了切屑流動過程中的阻力，使切屑更加順暢的流出，從而減小了切削熱的產(chǎn)生。但波紋型微織構(gòu)的置入對刀具前刀面副切削刃靠近刀尖處刀屑間的摩擦狀態(tài)影響不明顯。

綜上所述，波紋型微織構(gòu)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)為:微織構(gòu)半徑為0.03mm,對應(yīng)弧度為60°(以下簡稱BCT-Y)

圖9 切削溫度隨波紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線圖

圖10 波紋型微織構(gòu)半徑為0.03mm,弧度值為60°時的溫度分布云圖

3.3 梳齒形微織構(gòu)設(shè)計優(yōu)選

圖11～圖13分別為波紋型微織構(gòu)圓弧半徑R分別為0.03mm，0.04mm,0.05mm，θ為60°時，切削溫度隨條紋形微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)變化的曲線圖。從曲線圖中可以看出：在選定波紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)值的條件下，條紋微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對切削溫度有一定的影響；圖11中，微織構(gòu)深度為0.03mm時，切削溫度隨微織構(gòu)寬度的增加先上升后下降，但切削溫度的最高值仍低于微織構(gòu)車刀的原車刀的切削溫度，深度為0.04mm和0.05mm時，切削溫度隨著微織構(gòu)寬度的增加而增加，在深度為0.04mm，寬度為0.03mm時，切削溫度最低，與原車刀相比降低了40.1%，與微織構(gòu)車刀相比降低了26.43%，該微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)下的切削溫度分布云圖如圖14所示；圖12中，微織構(gòu)深度為0.03mm時，切削溫度隨微織構(gòu)寬度的變化先上升后下降，與微織構(gòu)深度為0.05mm時的變化趨勢相反，在微織構(gòu)深度為0.04mm時，切削溫度隨微織構(gòu)寬度的增加而降低，并且在寬度為0.04mm，深度為0.04mm時，切削溫度最低，與原車刀相比降低42.91%，與微織構(gòu)車刀相比降低了28.82%，該微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)下的切削溫度分布云圖如圖15所示；圖13中，切削溫度在不同微織構(gòu)深度值下的變化趨勢相似，微織構(gòu)寬度為0.03mm，微織構(gòu)深度為0.04mm時，切削溫度最低，與原車刀相比降低了40.1%，與微織構(gòu)車刀相比降低了26.43%，該微織構(gòu)設(shè)計參數(shù)下的切削溫度分布云圖如圖16所示。由于梳齒形微織構(gòu)綜合了波紋型微織構(gòu)與條紋形微織構(gòu)的作用，使得梳齒形微織構(gòu)能夠更有效的降低切削溫度，從而延長刀具壽命。

綜上所述：梳齒形微織構(gòu)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)為：波紋型微織構(gòu)圓弧半徑為0.04mm，弧度為60°，條紋形微織構(gòu)寬度和深度均為0.04mm(以下簡稱SCT-Y)，且與TCT-Y、BCT-Y相比，SCT-Y的降溫效果更好。

圖11 R=0.03mm,θ=60°時，切削溫度隨條紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線

圖12 R=0.04mm,θ=60°時，切削溫度隨條紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線

圖13 R=0.05mm,θ=60°時，切削溫度隨條紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線

圖14 波紋型微織構(gòu)半徑為0.03mm，弧度值為60°，條紋型微織構(gòu)寬度為0.03mm，深度分別為0.04mm時的溫度分布云圖 圖15 波紋型微織構(gòu)半徑為0.04mm，弧度值為60°時，條紋型微織構(gòu)寬度為0.04mm，深度為0.04mm時的溫度分布云圖

圖16 波紋型微織構(gòu)半徑為0.05mm，弧度值為60°，條紋型微織構(gòu)寬度為0.03mm，深度分別為0.04mm時的溫度分布云圖

4 微槽微織構(gòu)對切削力及殘余應(yīng)力的影響

從上節(jié)可知，微槽微織構(gòu)復(fù)合設(shè)計能夠有效降低刀具切削溫度，因此為了對所設(shè)計的微槽微織構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)做出較為全面的評價，本小節(jié)通過比較的方法，對所優(yōu)選出的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與YCT及WCT的切削力及殘余應(yīng)力變化進行研究。

4.1 微槽微織構(gòu)對切削力的影響分析

本小節(jié)對上一節(jié)中所優(yōu)選出的3種刀具(TCT-Y、BCT-Y及SCT-Y)與YCT及WCT的切削力進行對比分析。圖17為該5種刀具切削力柱狀圖。從圖中可以看出，TCT-Y的切削力均大于YCT與WCT,但基于上一節(jié)的分析，TCT-Y的切削溫度低于YCT與WCT,這是因為條紋型微織構(gòu)位于副切削刃靠近刀尖處，不參與主要的切削過程，但條紋型微織構(gòu)的置入減小了刀屑間的接觸面積，使得切屑傳遞給刀具的熱量減少，從而使得刀具溫度降低。BCT-Y及SCT-Y的切削力均低于YCT及WCT，這是因為一方面波紋型微織構(gòu)位于主切削刃與微槽之間，參與主要的切削過程，且波紋型微織構(gòu)沿流屑角方向，減小切屑流出的阻力，從而降低了切削力，減少了熱量的產(chǎn)生,另一方面波紋型微織構(gòu)的置入減小了粘結(jié)摩擦區(qū)域，從而減小切削力，減少切削熱的產(chǎn)生，從而降低了切削溫度。由于SCT-Y同時在主副切削刃相應(yīng)區(qū)域置入條紋型微織構(gòu)與波紋型微織構(gòu)，從而使得SCT-Y的切削溫度最低。

圖17 5種刀具切削力變化柱狀圖

4.2 微槽微織構(gòu)復(fù)合設(shè)計對殘余應(yīng)力的影響分析

切削加工后的已加工表面常有殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力是影響已加工表面的加工質(zhì)量及工件服役壽命的主要因素之一，也是衡量刀具性能好壞的主要標(biāo)準之一。因此，本小節(jié)對上節(jié)所優(yōu)選出的3種微槽微織構(gòu)(TCT-Y、BCT-Y及SCT-Y)已加工表面的殘余應(yīng)力與YCT和WCT已加工表面周向殘余應(yīng)力進行對比分析。本文通過DEFROM3D后處理中的點追蹤來對比分析以上5種刀片已加工表面周向殘余應(yīng)力的分布情況。圖18為周向殘余應(yīng)力距工件表層深度的變化曲線。從圖中可以看出，除TCT-Y外，其余刀片切削加工后工件殘余應(yīng)力均隨著工件深度的增加先下降后減小，而且均處于壓應(yīng)力狀態(tài)；與YCT和WCT相比，波紋型及梳齒形微織構(gòu)的置入均能夠增大工件表層殘余壓應(yīng)力最大值，且梳齒形微織構(gòu)的置入效果最好。與WCT相比，條紋型微織構(gòu)的置入對工件表層殘余壓應(yīng)力的改善不明顯，但與YCT相比，條紋型微織構(gòu)的置入能夠有效改善工件表面殘余壓應(yīng)力的最大值。

這是因為條紋型微織構(gòu)的置入?yún)^(qū)域為副切削刃靠近刀尖處，不參與主要的切削過程，因此對切削力及工件的剪切變形影響較小，從而對工件表面的殘余壓應(yīng)力影響較小。而波紋型微織構(gòu)位于主切削刃與微槽之間，參與主要的切削過程，對切削力、切屑的形態(tài)、刀屑間摩擦狀態(tài)及工件的剪切變形都有直接的影響，因此對工件表面的殘余應(yīng)力影響較大。由金屬切削理論可知，已加工表面殘余應(yīng)力是機械應(yīng)力和熱應(yīng)力等因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)文獻[19]，機械應(yīng)力主要由第一變形區(qū)的剪切變形產(chǎn)生的應(yīng)力和第三變形區(qū)的刀具與工件擠壓摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力組成，剪切變形產(chǎn)生的應(yīng)力遠大于第三變形區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力，且機械應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，而熱應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。因此，波紋型微織構(gòu)的存在可能使第一變形區(qū)的剪切變形增加，且由剪切變形所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力大于由熱應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而使得已加工表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

圖18 周向殘余應(yīng)力距工件表層深度的變化曲線

5 結(jié)論

本文通過利用DEFORM3D仿真分析軟件對比分析了波紋型微織構(gòu)、條紋形微織構(gòu)以及梳齒形微織構(gòu)對切削溫度的影響，且基于降溫效果優(yōu)選出3種微槽微織構(gòu)設(shè)計，對比分析了優(yōu)選出的3種復(fù)合結(jié)構(gòu)刀具、YCT及WCT刀片的切削力及已工件表面殘余應(yīng)力，研究發(fā)現(xiàn):3種新型微槽微織構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀片都能夠很好的降低切削溫度，且梳齒形微槽微織構(gòu)車刀降溫效果更明顯，說明梳齒形微織構(gòu)置入能夠更好地降低刀具的切削溫度，從而延長刀具壽命；波紋型微織構(gòu)的存在能夠有效降低切削力，減少切削熱的產(chǎn)生，而條紋型微織構(gòu)的存在對降低切削力的影響不大；與YCT相比，3種微織構(gòu)的置入均能有效增大工件表層殘余壓應(yīng)力最大值，而與WCT相比，除條紋型微織構(gòu)外，其余兩種織構(gòu)均能有效增大工件表層殘余壓應(yīng)力最大值。