球頭銑刀最優(yōu)微織構參數確定方法

楊樹財 馬旭青 張玉華 劉偉偉 何春生

摘 要：為了研究微織構對球頭銑刀切削加工性能的影響規(guī)律，完成微織構參數的優(yōu)化，依據粘結摩擦理論研究了微織構刀具的減磨抗磨機理，采用實驗驗證的方法，驗證了微織構刀具具有減磨抗磨特性。采用DEFORM-3D有限元軟件進行了不同織構參數刀具的銑削仿真，得出了刀具微織構參數的合理范圍。根據仿真得到的參數范圍，設計正交試驗優(yōu)化出球頭銑刀最優(yōu)織構參數組合為D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm。

關鍵詞：微織構;球頭銑刀;刀具磨損;正交試驗法

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.009

中圖分類號： TH161+.11

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0047-07

Abstract：In order to study the influence of micro-texture on the cutting performance of ball-end milling， and to complete the optimization of micro texture parameters， the friction-reducing and wear-resistant mechanism of micro-texture ball-end milling was studied based on the theory of adhesive friction. The experimental method was used to verify the correlation. The finite element software DEFORM-3D was used to simulate the milling of different texture parameters， and the reasonable range of tool micro-texture parameters was obtained. According to the range of parameters obtained from the simulation， an orthogonal test was designed to optimize the optimal texture parameters of the ball-end cutter to be D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm.

Keywords：micro-texture; ball-end milling; tool wear; orthogonal test

0 引 言

鈦合金因比強度高、抗蝕性好、熱強度高、低溫性能好等優(yōu)良特性，廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)學等領域。但由于鈦合金變形系數小、化學活性大、冷硬現象嚴重等特點，導致鈦合金是典型的難加工材料[1-2]。目前加工鈦合金最常用的刀具是硬質合金刀具，在加工鈦合金過程中硬質合金刀具易出現磨損現象，嚴重的刀具磨損會導致刀具壽命縮短，加工效率降低，并使工件已加工表面質量降低，從而增加生產成本。仿生摩擦學研究發(fā)現高性能的表面微織構能夠起到減摩、抗黏附、提高耐磨性能等作用。這就為高效切削鈦合金提供了新思路，也提供了理論依據。因此，研究在硬質合金刀具表面置入微織構對提升鈦合金切削加工性能，降低刀具磨損，已成為鈦合金加工領域值得關注的課題。

國內學者鄧建新等[3-5]在硬質合金刀具上利用微細電火花技術制備出微圓坑，在其內部填充固體潤滑劑MoS2，進行車削45#鋼的摩擦學性能研究。馮秀亭等[6]制備了微納復合織構自潤滑陶瓷刀具，并對其切削性能進行了深入的研究。國外方面。Enomoto等[7]在硬質合金刀具的前刀面上制備了不同類型的表面織構，并進行了一系列的銑削鋁合金材料的試驗研究。Lei等[8]進行了硬質合金微圓坑刀具在不同潤滑條件下切削合金鋼的試驗研究。Koshy等[9]利用的是電火花加工微織構的方法，在刀具的前刀面上加工出連續(xù)面型和四槽陣列兩種表面織構類型，分別采用連續(xù)與斷續(xù)兩種切削方式在切削液潤滑條件下進行了鋼和鋁合金的切削試驗。關于微織構刀具的研究，大多數集中在車刀片以及面銑刀片上[10-13]。

目前，關于在硬質合金球頭銑刀上加微織構高速銑削鈦合金的研究較少，特別是對微織構參數的定量研究尚有欠缺，以及微織構的置入對整個切削過程的影響規(guī)律分析不足。因此，基于前人研究成果，本文揭示了微織構的置入對刀具減磨抗磨的作用機理;并且利用有限元仿真軟件Deform-3D進行了銑削仿真分析，選定了微織構參數范圍;進行了正交銑削試驗，驗證了仿真結果的準確性，優(yōu)選出了合理的微織構參數組合。

1 微織構減磨抗磨機理分析

1.1 粘結摩擦理論

粘結理論認為，由于物體表面必然凹凸不平，那么當兩物體在接觸正壓力Fn的作用下接觸時，其實際接觸面積只是一些凸峰點接觸[14]。粘結摩擦理論的示意圖如圖1所示，圖中的C、E、D、三點為兩物體接觸點中上面的物體的接觸位置點，Ar、B、Ai+1為兩物體接觸點中下面的物體的接觸位置點。在正壓力Fn的作用下，兩物體發(fā)生接觸，特別地，在AC、EB等的接觸位置點，由于接觸面積小導致接觸壓強非常大，接觸點處材料發(fā)生塑性變形，這就是粘結摩擦理論中的粘著現象。由于兩物體之間有相對滑動，且各個接觸位置點的高度是起伏不平的，如圖中的EB和DA，當下面物體的B點通過上面物體的D點時，較軟的表面材料會被較硬的材料切除，這就是粘結摩擦理論中的犁溝現象。而微織構的置入可以有效降低刀-屑緊密接觸區(qū)的接觸面積，從而改善鈦合金的切削加工性。圖2為前刀面應力分布示意圖，其中oa段為峰點接觸區(qū)，ab段為緊密接觸區(qū)。ox代表X坐標軸。

式中：τs為真實剪切屈服應力;ε為剪應變;τ0為名義屈服強度;lf為刀屑接觸長度;n為應變強化指數;τ為前刀面各微單元應力;f為刀屑緊密接觸區(qū)摩擦力;f粘為刀屑緊密接觸區(qū)各個接觸點的接觸摩擦力;f犁為刀屑緊密接觸區(qū)材料相對滑動產生的犁溝摩擦力;x為X坐標軸上坐標點。

1.2 對比實驗

實驗刀具：硬質合金球頭銑刀，并使用光纖激光器在銑刀前刀面制備微坑織構，如圖3所示。微坑織構相關參數如表1所示。表中：D代表微坑直徑;H代表微坑深度;L1代表微坑間距;L2代表微坑距切削刃距離。

實驗工件材料為航空用鈦合金Ti6Al4V。實驗機床為大連機床廠VDL-1000E數控銑床，數據采集采用Kistler9257B測力儀結合數據采集系統測量三向切削力，采用順銑加工方式，側銑加工工件傾斜角度為15°。利用超景深三維顯微系統對刀具的磨損形態(tài)進行記錄分析。對比普通球頭銑刀與微織構球頭銑刀隨著銑削行程的增加切削力的變化規(guī)律，進行三組重復實驗?，F場加工照片如圖4所示。

1.3 實驗結果及分析

微坑織構的減磨抗磨作用可以降低刀具磨損，刀具磨損程度直接影響切削合力值。對比微織構刀具與普通刀具隨著切削行程增大切削合力的變化規(guī)律，如圖5所示。當切削行程La時，微織構刀具的切削力均小于普通刀具。這是由于微坑織構的置入，減少了刀-屑緊密接觸區(qū)域的接觸面積。銑削行程為30240mm時，刀具的前后刀面磨損值如表2所示。表中：KT代表前刀面磨損值;VBmax代表后刀面最大磨損值。由表可知，微織構刀具可以有效降低刀具磨損，延長刀具壽命。

2 銑削鈦合金Ti6Al4V刀具磨損仿真

根據對比實驗可知，在球頭銑刀上制備微織構能夠有效降低刀具磨損，因此有必要分析研究微織構的參數范圍，定量分析織構參數對刀具磨損的影響規(guī)律。為了節(jié)約成本，提高效率，使用有限元仿真軟件Deform-3D進行刀具磨損仿真[17-18]。

2.1 仿真方案設計

采用UG軟件建立不同織構參數的球頭銑刀實體模型及工件材料模型，為保證有限元仿真結果的準確性，本文采用Johnson-Cook的本構方程， Ti6Al4V的Johnson-Cook模型材料參數如表3所示。Ti6Al4V的物理及溫度參數如表4所示。其中：A、B、n、m、C均為模型的結構常量;E為楊氏模量;μ為泊松比;0為參考應變率;ρ為密度;TM為融化溫度[19-21]。

設計四因素五水平的正交仿真方案，建立25把不同織構參數的球頭銑刀模型，表5為仿真織構參數因素水平表。將模型置入Deform-3D軟件中進行前處理操作，進行相關材料參數、接觸條件、網格劃分等操作后，進行仿真如圖7所示。

2.2 仿真結果分析

對比25把刀具銑削仿真結束后的刀具最大磨損值，進行相關正交分析，得出指標-因素關系圖，如圖8所示。由圖可知，微坑織構直徑D的范圍是：40～70μm;微坑深度H的范圍是：20～40μm;微坑間距L1的范圍是：110～150μm;微坑距切削刃距離L2的范圍是：90～120μm。以刀具磨損的仿真結果為指標，完成了微織構參數范圍的優(yōu)選。

3 試驗分析

3.1 正交試驗設計

根據仿真結果可以將微織構參數確定在一個較小的范圍內，并設計四因素四水平的正交試驗，設計織構參數因素水平表如表6所示，其它的試驗條件與第一節(jié)的對比試驗相符。分析16把微織構刀具在切削30240mm之后的刀具磨損情況。

3.2 試驗結果及分析

使用超景深顯微鏡測量16把刀具磨損情況，第17組為對比試驗中的一組普通刀具試驗數據，得到的結果如圖9所示。分析可知刀具后刀面磨損大于前刀面。微織構刀具前、后刀面磨損值均小于普通刀具。織構刀具能夠起到減磨抗磨的作用，且微織構的參數不同，刀具的磨損程度不同。這是由于微織構的置入改善了球頭銑刀銑削鈦合金過程中的切削加工性，從而降低了刀具磨損值。

根據仿真與試驗結果可知，側銑加工鈦合金過程中，球頭銑刀片磨損主要集中在刀具后刀面，球頭銑刀的失效判據以后刀面磨損值VB為準。前刀面微坑織構的置入主要通過影響刀具切削加工性能而間接影響刀具后刀面磨損值。因此以后刀面磨損值為指標，畫出指標-因素關系圖如圖10所示。當D<50μm時，隨著D的增大，刀具磨損值減小，這是由于D越小，其減磨作用越不明顯。當D>50μm時，隨著D的增大，刀具磨損值增大，這是由于D越大，刀具結構強度越低，從而導致刀具磨損加劇。當h<25μm時，隨著h的增大，刀具磨損值減小，這是由于隨著h的增大，微坑附近熔融物質增多，可以起到有效的抗磨損作用。當h>25μm時，刀具磨損值隨著h增大而逐漸增大，這是由于坑深過大，一方面破壞刀具的結構強度，另一方面熔融物質影響刀具的切削加工性能。當L1<130μm時，隨著L1的增大，刀具磨損值減小，這是由于L1過近會破壞刀具的結構強度;當L1>130μm時，隨著L1的增大，刀具磨損值增大，這是由于微坑織構越來越稀疏，則微織構起到的減磨作用不斷減小。當L2<110μm時，隨著L2增大，刀具磨損降低，這是由于L2過小會破壞刀具的結構強度。當L2>110μm時，隨著L2增大，刀具磨損增大，這是由于微織構在刀-屑緊密接觸區(qū)才發(fā)揮作用。根據得到的數據進行極差分析，確定四個因素由主到次的順序為：L2—L1—D—H。得到微織構參數的最優(yōu)組合為D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm。

4 結 論

1）基于粘結摩擦理論，討論了在刀具前刀面置入微織構對刀-屑接觸區(qū)的影響，通過對比實驗，驗證微織構的置入可以有效改善刀具的切削加工性能，降低刀具磨損。

2）為了定量研究微織構參數對刀具磨損的影響規(guī)律，依據微坑織構參數設計了四因素五水平的正交仿真方案，利用Deform-3D軟件進行了刀具磨損仿真，從而確定了微坑織構的合理參數范圍：40

3）進行了刀具磨損試驗，優(yōu)選出了合理的織構參數組合為D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm。將仿真結果與試驗測量結果之間進行對比分析，發(fā)現仿真與試驗結果吻合，驗證了試驗結果的合理性，這為降低加工鈦合金加工成本提供了科學合理的技術支持。

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（編輯：溫澤宇）