刀具鈍化參數(shù)對刃口累積能量影響的研究*

趙雪峰，杜宇超，吳志鵬

(貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

刀具是現(xiàn)代切削加工中關鍵的基礎部件，其性能直接影響加工效率和已加工零件的表面質量[1]。即使對刀具刃口進行仔細的磨削，刀具刃區(qū)的形貌依然會存在細小缺陷，從而降低刀具的壽命和加工質量[2]。刀具刃口鈍化可以延長刀具使用壽命50%～400%[3]。因此，近年來刀具鈍化技術越來越受到國內(nèi)外學者的重視。

目前，國內(nèi)外學者關于刀具刃口鈍化開展了大量的研究。Tugrul Ozel使用切削軟件進行仿真，使用鈍化后的PCBN切削鋁合金，研究了鈍化后的刀具其應力、切削力等的變化規(guī)律[4]。Uhlmann對微切削刀具進行鈍化實驗，并通過切削實驗驗證了適當?shù)牡毒呷锌阝g圓半徑可以減少刀具在切削過程中的磨損狀況[5]。Priarone研究了不同的刃口形狀對切削后的殘余應力及已加工零件的表面質量的影響，驗證了刀具刃口鈍化可以有效的的提高加工的表面質量[6]。賈秀杰等采用切削實驗探究了鈍化后的刀具在不同的切削參數(shù)下切削工件時，產(chǎn)生的切削力和被加工零件的表面質量隨切削參數(shù)變化而變化的規(guī)律[7]。朱曉雯等采用了7種不同的鈍化工藝對硬質合金刀具進行鈍化處理，其中包括立式旋轉鈍化法，并通過實驗探究了不同鈍化方式對硬質合金刀具壽命的影響[8]。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，關于刀具刃口鈍化的研究主要集中在鈍圓半徑對切削性能的影響規(guī)律上。關于刀具刃口鈍化機制的研究比較少，主要是通過刀具刃口鈍化實驗研究鈍化參數(shù)對鈍圓半徑的影響規(guī)律，對于刀具鈍化過程的研究非常少。

本文基于離散元基本原理，采用離散元軟件EDEM建立刀具刃口鈍化仿真模型，對刀具刃口鈍化過程進行仿真研究，探究鈍化過程中，鈍化時間、鈍化速度和鈍化方向對刀具刃口累積能量的影響規(guī)律，為研究刀具刃口鈍化機制和刀具非對稱刃口鈍化過程提供依據(jù)。

1 刀具刃口鈍化方法

刀具刃口鈍化設備采用立式旋轉鈍化機，如圖1所示。分散固體磨粒裝在容器中，分散固體磨粒通常是由核桃粉、棕剛玉和碳化硅按照一定配比混合而成。成組刀具安裝在主軸上，刀具在分散固體磨粒中進行旋轉和上下往復運動，既能夠實現(xiàn)單個刀具的公轉和自轉，又能實現(xiàn)成組刀具的公轉和自轉。

由于立式旋轉鈍化機運動系統(tǒng)由兩級行星運動組成，結構相對復雜，可將其簡化為如圖2所示。成組刀具安裝在刀盤上，以R2為半徑繞軸心O2轉動，單個刀具以自身中心O3為軸心做自轉運動，整個刀盤以R1為半徑繞O1轉動。刀具在分散固體磨粒中進行兩級行星運動，刀具刃口通過與分散固體磨粒不斷地碰撞沖擊，達到去除刃口微觀缺陷的目的，實現(xiàn)高效均勻的鈍化，刀具刃口各齒的運動軌跡如圖3所示。

圖1 立式旋轉鈍化機

圖2 刀具行星運動鈍化簡圖

圖3 刀具轉速為40r/min時某齒運動軌跡

2 刀具刃口鈍化過程仿真模型建立

本文采用離散元軟件EDEM對刀具刃口鈍化過程進行仿真。

(1)刀具。采用硬質合金立銑刀，刀具前角為14o，后角為15o，直徑為10mm，刃長為25mm，刀柄長75mm。通過三維軟件Solidworks對立銑刀進行建模，由于刀具鈍化過程中只研究刃口部分的磨損。因此，為提高計算效率，對硬質合金刀具進行簡化，去掉刀柄部分，縮短排屑槽，簡化后的刀具模型如圖4所示。

圖4 簡化后刀具模型

(2)接觸參數(shù)。磨粒采用40目的碳化硅顆粒。磨粒與磨粒之間的接觸參數(shù)以及磨粒與立銑刀之間的接觸參數(shù)如表1所示。

表1 接觸參數(shù)

(3)接觸模型。顆粒與顆粒之間的接觸模型選取Hertz-Mindlin(no slip)模型，顆粒與立銑刀之間的接觸模型選取Hertz-Mindlin with Archard Wear模型。

接觸模型是當單元與單元之間相互接觸時的力學行為，是離散元方法的核心。Hertz-Mindlin接觸模型假設離散單元體為剛體，在力的計算方面精度高并且高效[9]。其接觸力的計算過程如下:

半徑為Ri、Rj的兩球形顆粒之間發(fā)生彈性接觸，則法向力Fn可以為：

(1)

式中，E*代表等效彈性模量，R*代表顆粒的等效半徑，δn代表法向堆疊量。

(2)

系數(shù)β可表示為：

(3)

顆粒間的切向力Ft可以表示為：

Ft=-Stδt

(4)

式中，δt為顆粒間的切向重疊量，St為顆粒間的切向剛度。

(5)

(4)網(wǎng)格劃分。使用ANSYS軟件對立銑刀的三維模型進行網(wǎng)格劃分對刀尖刃口部分的網(wǎng)格進行細化。

(5)顆粒。將畫好網(wǎng)格的立銑刀模型導入EDEM，添加顆粒工廠，采用Fill Section形式進行填充。選取EDEM中球狀模型作為顆粒模型，設置顆粒半徑為0.225mm，材料為碳化硅，共生成顆粒數(shù)量139995。

(5)仿真設置。綜合考慮仿真效率等因素，將仿真時間設為5.15s。刀具刃口鈍化仿真模型如圖5所示。

圖5 刀具刃口鈍化仿真模型

3 鈍化參數(shù)對刃口累積能量的影響

刀具刃口鈍化過程實際上是通過分散固體磨粒對刀具刃口不斷地沖擊碰撞，反復的沖擊使得刀具刃口磨損，形成具有一定弧度的倒圓刃和瀑布刃的輪廓，實現(xiàn)刀具刃口的鈍化。因此，鈍化速度、鈍化時間和刀具的鈍化方向對刀具刃口的磨損量具有極大的影響。由于研究表明，累積能量損失與磨損量成正比[9]。刀具刃口累積能量越大，磨損量就越大，鈍圓半徑也就越大。因此，本文重點研究鈍化參數(shù)對刀具刃口累積能量的影響規(guī)律。

(1)鈍化時間對刀具刃口累積能量的影響規(guī)律

刀具速度為100r/min時，鈍化時間對刃口累積能量的影響規(guī)律如圖6所示。刀具在0.15s時運動到指定位置，由于刀具和分散固體碳化硅磨粒產(chǎn)生碰撞，刃口累積能量為1.713E-8J；5.15s時，刀具刃口累積能量為1.237E-6J。由圖可知，隨著刀具鈍化時間的增大，刀具刃口累積能量越大。

圖6 鈍化時間對刃口累積能量的影響規(guī)律

(2)鈍化速度對刀具刃口累積能量的影響規(guī)律

在5.15s時，刀具鈍化速度對刃口累積能量的影響規(guī)律如圖7所示。鈍化速度為50r/min，60r/min，70r/min時的刃口累積能量分別為8.64E-8J、1.86E-7J、2.59E-7J。因此，隨著刀具鈍化速度的增大，刀具刃口累積能量也增大。

圖7 鈍化速度對刃口累積能量的影響規(guī)律

(3)鈍化方向對刀具刃口累積能量的影響規(guī)律

在刀具鈍化過程中，刀具在分散固體磨粒中可以正向旋轉，也可以反向旋轉，主要是為了在刀具刃口處形成光滑的圓弧，實際上刀具刃口處并非規(guī)則的圓弧。因此，需要研究刀具鈍化方向對刃口累積能量的影響規(guī)律。

刀具鈍化速度為100r/min時，刀具正轉5.15s和反轉5.15s時的刃口累積能量如圖8和圖9所示。由圖可知，刀具正轉時，刃口累積能量主要集中在刀具前刀面，而刀具反轉時，刃口累積能量主要集中在刀具后刀面，并且刀具前刀面累積能量大于后刀面累積能量，這也是形成刀具鈍化非對稱刃口的主要原因。

圖8 刀具正轉的刃口累積能量

圖9 刀具反轉的刃口累積能量

不同鈍化速度下，刀具鈍化方向對刃口累積能量的影響規(guī)律如圖10所示。在5.15s時，刀具正轉的刃口累積能量分別為8.64E-8J、1.86E-7J、2.59E-7J。刀具反轉的刃口累積能量分別為1.72E-8J、3.61E-8J、5.14E-8J。因此，在相同鈍化時間和鈍化速度下，刀具正轉時的刃口累積能量大于刀具反轉時的刃口累積能量。

圖10 鈍化方向對刃口累積能量的影響規(guī)律

4 結論

本文根據(jù)刀具刃口鈍化特點，采用離散元分析軟件EDEM建立刀具刃口鈍化仿真模型，研究了鈍化時間、鈍化速度和鈍化方向對刀具刃口累積能量的影響規(guī)律。隨著鈍化時間和鈍化速度的增加，刀具刃口累積能量增大，即刀具刃口的磨損量隨鈍化時間和鈍化速度的增加而增大。在相同鈍化時間和鈍化速度下，刀具正轉時的刃口累積能量大于刀具反轉的刃口累積能量，且正轉時刃口累積能量主要集中在前刀面上，反轉時刃口累積能量主要集中在后刀面上，即前刀面的磨損量將會大于后刀面的磨損量。這為研究刀具刃口鈍化機理和刀具非對稱刃口鈍化提供依據(jù)。