硬質(zhì)合金微槽車刀切削刃近域熱力強(qiáng)度分析*

蔣宏婉，袁 森，任仲偉，邵 芳，陳海虹

(1.貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

刀具前刀面作為切削過程熱載荷和機(jī)械載荷高度集中區(qū)域，刀屑接觸界面正壓力高達(dá)2～3GPa，溫度高達(dá)800℃，工作條件十分惡劣。尤其針對(duì)難加工材料的高端切削刀具，切屑與前刀面完全是在極小區(qū)域內(nèi)新鮮表面間的接觸和摩擦，本文將該區(qū)域定義為切削刃近域。刀具切削刃近域的強(qiáng)度對(duì)于刀具耐用度影響顯著，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和機(jī)構(gòu)也做了一定研究。王亮等[1]，通過有限元軟件ABAQUS對(duì)表面微坑織構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，微坑的置入一定程度上降低了刀具強(qiáng)度。杜宏益等[2]通過切削軟件Third Wave AdvantEdge對(duì)刀具前刀面微織構(gòu)區(qū)域進(jìn)行切削溫度和切削力的仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向的微織構(gòu)最有利于切削力和切削溫度的降低，從而能夠保證該區(qū)域熱力強(qiáng)度不受威脅。寧仲良等[3]利用有限元數(shù)值分析軟件ANSYS對(duì)車刀強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，較為精確地掌握刀具上各節(jié)點(diǎn)的受力情況，確定刀具內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律。何林等[4]利用ANSYS軟件對(duì)內(nèi)冷刀具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的流熱固耦合分析，結(jié)果表明，該內(nèi)冷刀具在給定切削條件下，強(qiáng)度滿足。孫華亮等[5]利用有限元方法對(duì)三種微織構(gòu)車刀進(jìn)行三維有限元仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，溫度最高點(diǎn)幾乎不受表面微織構(gòu)的影響，同時(shí)刀具強(qiáng)度沒有受到明顯影響。劉玥等[6]研究了溫度對(duì)復(fù)合金屬陶瓷刀具抗彎強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，在溫度高于800℃時(shí)，該刀具的高溫抗彎強(qiáng)度迅速衰減。楊樹財(cái)?shù)萚7]利用DEFORM-3D和ANSYS有限元分析軟件對(duì)TC4進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，微坑結(jié)構(gòu)會(huì)增大球頭銑刀相應(yīng)受力區(qū)域的等效應(yīng)力，減少銑刀片的變形。馮秀亭等[8]利用ABAQUS分析了織構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，無織構(gòu)刀具應(yīng)力最大處距離刀具刀尖最近，這最可能是由織構(gòu)刀具增大刀屑接觸面積造成的。Liu等[9]重點(diǎn)研究了溫度對(duì)新型金屬陶瓷車刀前刀面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，不同切削溫度下，刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同。Ji等[10]重點(diǎn)研究金屬陶瓷刀具切削性能，研究發(fā)現(xiàn)，比傳統(tǒng)的金屬陶瓷刀具，新型金屬陶瓷刀具具有更高的強(qiáng)度和硬度。以上研究成果或關(guān)注單一物理場(chǎng)下刀具前刀面強(qiáng)度分析，或關(guān)注溫度對(duì)刀具強(qiáng)度的影響情況，或關(guān)注受力對(duì)刀具強(qiáng)度的影響情況，而對(duì)刀屑作用區(qū)域沒有一個(gè)準(zhǔn)確的確定方法，且鮮有通過有限元分析方法分析多物理場(chǎng)作用下微槽車刀切削高強(qiáng)度合金鋼時(shí)刀具切削刃近域強(qiáng)度的相關(guān)研究。

本文以硬質(zhì)合金微槽車刀切削石油管材高強(qiáng)度合金鋼40CrMnMo過程為研究對(duì)象，以切削仿真過程獲得的平均切削溫度和平均切削力作為熱載荷和機(jī)械載荷，根據(jù)刀具實(shí)際工作情況，確定出刀屑接觸區(qū)域范圍，從而合理施加約束和邊界條件。將穩(wěn)態(tài)熱分析和靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析相關(guān)聯(lián)，對(duì)車刀進(jìn)行熱力耦合分析，對(duì)該微槽車刀切刃近域熱力強(qiáng)度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 刀屑接觸區(qū)的確定

車刀前刀面切削刃近域的熱力強(qiáng)度分析首先需要確定刀屑接觸區(qū)的范圍。刀屑接觸區(qū)范圍主要由刀屑接觸長(zhǎng)度和寬度決定，因而，需要根據(jù)實(shí)際切削工況來分別計(jì)算出刀屑接觸長(zhǎng)度和寬度。對(duì)刀屑接觸長(zhǎng)度計(jì)算模型的研究，前人已作了相關(guān)研究工作，如表1所示。

表1 刀屑接觸長(zhǎng)度計(jì)算模型

根據(jù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，多采用Rubenstein提出的刀屑接觸長(zhǎng)度計(jì)算公式，其中常數(shù)M選取范圍為2～4，本文加工對(duì)象為較難加工材料高強(qiáng)度合金鋼40CrMnMo，變形系數(shù)相對(duì)小，切屑經(jīng)過主切削刃后，在較短接觸時(shí)間內(nèi)背離刀具前刀面而發(fā)生卷曲，使得切屑與刀具前刀面的接觸時(shí)間較短，因而相同切削條件下相對(duì)其他切削工況，其刀屑接觸長(zhǎng)度相對(duì)較短，所以此處M值取為2.9。根據(jù)式(1)～式(5)計(jì)算刀屑接觸長(zhǎng)度。

a=f·cosψr

(1)

(2)

(3)

β=θ+r0-φ

(4)

(5)

由式(1)～式(5)可知，計(jì)算刀屑接觸長(zhǎng)度的關(guān)鍵參數(shù)切屑厚度的獲取。于是結(jié)合切削實(shí)際工況：切削速度為115m/min，進(jìn)給量為0.42mm/r，切深為2mm，設(shè)計(jì)相應(yīng)切削仿真試驗(yàn)：采用修正的拉格朗日算法和局部網(wǎng)格重劃分技術(shù)對(duì)該切削過程進(jìn)行有限元仿真，重點(diǎn)關(guān)注該過程刀具的溫度場(chǎng)和受力情況。在該數(shù)值模擬過程中，作如下假設(shè)：①刀屑接觸區(qū)的摩擦系數(shù)為恒定值；②刀屑交界面與外界環(huán)境進(jìn)行均勻換熱；③工件固定，刀片圍繞工件軸心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。刀具工作角度如表2所示，工件選擇有限元仿真平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的材料AISI4140，工件材料為P20，二者基本性能參數(shù)如表3所示，其余有限元仿真相關(guān)設(shè)置如表4所示。

表2 刀具工作角度

表3 工件材料性能參數(shù)

表4 有限元仿真條件設(shè)置

經(jīng)過切削仿真平臺(tái)的求解與后處理，測(cè)量相應(yīng)的切屑厚度。將整個(gè)切削過程均分為四部分，即產(chǎn)生包括始點(diǎn)和終點(diǎn)在內(nèi)的5個(gè)節(jié)點(diǎn)，在居中的3個(gè)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行切屑的測(cè)量，每次測(cè)量重復(fù)進(jìn)行三次，取平均值為該次測(cè)量的切屑厚度值，具體測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 切削厚度測(cè)量方法

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到如表5所示的切屑厚度測(cè)量結(jié)果。

表5 刀屑厚度測(cè)量結(jié)果

刀屑接觸寬度則由切深和主偏角決定，如圖2所示，由式(6)計(jì)算。

(6)

圖2 刀屑接觸寬度

其中，Km是根據(jù)實(shí)際切削情況而定的修正系數(shù)，本研究車削過程中，車刀刀尖角εr為150°，主偏角Kr為27.5°，這樣大刀尖角小主偏角會(huì)導(dǎo)致實(shí)際刀屑接觸寬度略大于理論寬度值，因而，此處Km取值為1.2。

根據(jù)試驗(yàn)的相關(guān)切削參數(shù)即可求出相應(yīng)的刀屑接觸長(zhǎng)度lf和lw寬度，進(jìn)而確定出切削試驗(yàn)相應(yīng)的車刀前刀面刀屑接觸區(qū)范圍：lf=1.1650mm，lw=5.1976mm。而刀具后刀面與切屑理論上是不接觸的，但實(shí)際切削過程中，由于該車刀刀尖角很大，工件已加工表面與車刀后面也發(fā)生了微段接觸，結(jié)合實(shí)際切削試驗(yàn)結(jié)果和切削仿真試驗(yàn)結(jié)果，接觸寬度取為0.45mm。

2 熱力耦合有限元模型的建立

基于ANSYS Workbench模塊中穩(wěn)態(tài)熱分析(steady-state thermal)和靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析(static structural)，利用刀具幾何參數(shù)、材料熱物性能參數(shù)及所施加邊界條件，生成三個(gè)熱傳導(dǎo)矩陣、節(jié)點(diǎn)溫度列陣和熱流率列陣實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱分析，通過定義刀具材料彈性模量、泊松比和密度完成靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，刀具材料熱物性參數(shù)如表6所示。

表6 刀具材料熱物性參數(shù)

該熱力耦合仿真試驗(yàn)中，對(duì)刀屑接觸區(qū)進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格相關(guān)系數(shù)取50，采用高級(jí)網(wǎng)格光順，細(xì)化區(qū)域外部網(wǎng)格尺寸取為0.15mm，細(xì)化區(qū)域內(nèi)部網(wǎng)格尺寸取為0.025mm。以前期所獲得每組試驗(yàn)刀具平均切削溫度和平均切削力作為熱載荷和機(jī)械載荷施加于該刀具相應(yīng)施加區(qū)域；空氣與刀具表面的自然對(duì)流換熱系數(shù)取為0.015W/(mm2·℃)，對(duì)刀具施加相應(yīng)邊界條件；結(jié)合刀具實(shí)際工況，設(shè)定刀具固定面以施加約束條件，建立相應(yīng)的有限元模型如圖3所示。

圖3 熱力耦合分析車刀有限元模型

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

該熱力耦合仿真試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次，取三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值為該組試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過有限元仿真平臺(tái)的求解與后處理，獲得刀具在熱力耦合作用下的應(yīng)力分布，此處重點(diǎn)關(guān)注最大等效應(yīng)力，得到如圖4所示的硬質(zhì)合金車刀切削刃近域等效應(yīng)力分布云圖。

圖4 車刀切削刃近域等效應(yīng)力分布

在實(shí)際生產(chǎn)中，刀具應(yīng)力狀態(tài)尤其是最大等效應(yīng)力對(duì)刀具切削刃近域強(qiáng)度有著直接影響，應(yīng)力集中會(huì)使得刀具材料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，加速刀具的破壞，從而影響刀具的耐用度。硬質(zhì)合金材料綜合了難容金屬化合物的高硬度、高耐磨損性能和良好的耐高溫性能，以及粘結(jié)相Co良好的塑形和韌性，其性能取決于兩相的性能和材料配比，但是硬質(zhì)合金材料總體呈現(xiàn)脆性，因而有“金屬陶瓷”之稱。對(duì)于硬質(zhì)合金車刀而言，由于沒有材料屈服階段，前刀面切削刃近域的應(yīng)力集中會(huì)引起材料內(nèi)部的局部裂紋，隨著應(yīng)力集中現(xiàn)象的持續(xù)進(jìn)行，脆性裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，當(dāng)該區(qū)域材料所承受應(yīng)力達(dá)到材料的許用強(qiáng)度應(yīng)力，那么該區(qū)域材料將發(fā)生破壞。

本文所研究硬質(zhì)合金材料P20相關(guān)性能如表3和表6所示，其中關(guān)鍵性能參數(shù)抗壓強(qiáng)度為4.2GPa，而通過有限元熱力耦合分析所得分析結(jié)果，該車刀在熱載荷和機(jī)械載荷的綜合作用下，所受最大等效應(yīng)力為911.19MPa，且出現(xiàn)在后刀面靠刀尖處。為了提高該硬質(zhì)合金車刀的工作安全性，將安全因子取為1.8，則許用抗壓強(qiáng)度為2.33GPa，顯然，沒有超過刀具材料的許用抗壓強(qiáng)度，因而，可得出結(jié)論，該硬質(zhì)合金微槽車刀在其正常切削工況下(切削速度為115m/min，進(jìn)給量為0.42mm/r，切深為2mm)進(jìn)行切削時(shí)，刀具切削刃近域強(qiáng)度足夠，不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度問題影響切削過程的正常進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過以上研究工作，本文研究結(jié)論概括如下：

(1)刀屑接觸區(qū)的確定是進(jìn)行刀具切削刃近域熱力耦合分析的關(guān)鍵因素之一，而刀屑接觸區(qū)主要是由刀屑接觸長(zhǎng)度和寬度決定，在給定切削條件下，可獲得相應(yīng)的刀屑接觸區(qū)范圍。在切削條件為切削速度為115m/min，進(jìn)給量為0.42mm/r，切深為2mm時(shí)，刀屑接觸區(qū)范圍：刀屑接觸長(zhǎng)度為1.1650mm，刀屑接觸寬度為5.1976mm。

(2)刀具材料熱物性能參數(shù)、邊界和約束條件以及刀屑接觸區(qū)域的網(wǎng)格劃分對(duì)刀具切削刃近域熱力耦合分析有重要影響，選擇合適參數(shù)是獲得相對(duì)合理分析結(jié)果的必然前提。

(3)本文所研究的硬質(zhì)合金微槽車刀在其正常切削工況下(切削速度為115m/min，進(jìn)給量為0.42mm/r，切深為2mm)進(jìn)行切削時(shí)，刀具切削刃近域強(qiáng)度足夠，不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度問題影響切削過程的正常進(jìn)行。