不同摩擦因數下織構刀具和普通刀具切削性能比較

(上海工程技術大學機械工程學院 上海 201620)

金屬切削過程中，刀具與工件之間的惡劣摩擦以及切削熱的共同作用，造成刀具的磨損并且降低工件的加工質量，這一現(xiàn)象使傳統(tǒng)切削技術無法滿足現(xiàn)代切削生產的要求。近年來，為了進一步保證工件的表面加工質量，降低生產成本，延長刀具的使用壽命，科研人員做了大量研究。

金屬切削時，刀具與工件接觸緊密，摩擦磨損明顯，因此刀-屑接觸區(qū)是熱量的主要產生區(qū)。切削過程中所受的摩擦力和切削過程有著非常大的關系，很多學者從不同角度探討了刀-屑之間的摩擦狀態(tài)。LEE和SHAFFER[1]在1951年通過常規(guī)刀具在不同摩擦條件下的切削實驗結果，建立了滑移線場的切削模型。MAITY和DAS[2]通過黏結-滑移摩擦的滑移線場得出：刀屑接觸的長度是隨著摩擦因數的變化而改變的，受前刀角的影響較小。隨后，F(xiàn)ANG等[3-5]在此基礎上建立了一個與有限元模型相結合的通用滑移線場，研究了在刀尖角變化的情況下工件的應變情況。USUI等[6]用有限元模擬的方法描述在切削過程中產生的積屑瘤，使用庫侖摩擦模型描述切削過程中刀具和切屑之間的接觸面積，采用應力、摩擦應力和摩擦因數之間的關系模擬整個切削過程。LOVELL和DENG[7]通過改變溫度、應變，研究了刀屑之間摩擦因數的變化，發(fā)現(xiàn)摩擦因數并不是隨溫度的增加呈線性增長趨勢，而是增長到一定值之后，隨溫度增加會逐漸減小。GRZESIK[8]通過實驗得出了在不同的切削條件下，溫度、等效應變等因素的變化規(guī)律，同時對表面粗糙度模型進行了修正。

與此同時，國內外學者通過對仿生學和摩擦學的研究發(fā)現(xiàn)，表面織構在改善摩擦副的摩擦學性能方面起到了積極的作用，并且開展了表面織構的形狀、分布及密度等特征參數對摩擦學性能影響的試驗研究和理論分析。

DENG等[9]提出利用飛秒激光技術對硬質合金刀具的表面紋理進行研究。他們使用飛秒激光技術制造表面織構刀具，并在刀具的織構中加入了固體潤滑劑WS2。實驗研究表明：在表面織構中加入固體潤滑劑可提高切削性能，減小刀-屑之間的接觸，降低摩擦力；在納米級織構中加入固體潤滑劑可降低切削力、切削溫度和摩擦因數。XING等[10]對不同織構形態(tài)的刀具性能進行對比，其中有垂直于切削刃的直線型織構、平行于切削刃的直線型織構和波浪型織構，并且試驗時在刀具的織構中添加了WS2固體潤滑劑。研究表明：3種帶有織構的刀具具有自潤滑的性能，并且切削性能得到提高；3組刀具中，具有波浪形織構的自潤滑刀具能最有效地減小刀屑之間的切削力、切削溫度和摩擦因數，因而減少了刀具的磨損，延長了刀具使用壽命。ZHANG等[11]采用微尺度紋理切割工具，在不同潤滑條件下，研究了不同表面織構刀具的切割性能。研究表明：當切削速度在200 m/min以內時，微尺度的紋理切割工具與鐵層形成了液體潤滑劑，形成了二次潤滑，減少了刀具的磨損；但在這種情況下，刀具表面織構的寬度需要減小。LIU等[12]對硬質合金刀具切削綠色鋁合金陶瓷進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)在切削過程中硬質合金刀具的前刀面僅出現(xiàn)輕微磨損，而后刀面磨損嚴重，并且在切削過程中，帶有表面織構的刀具對切削表面的粗糙度并沒有影響。MA等[13]用有限元方法研究了具有微凸起織構的刀具在干切削情況下的切削性能,發(fā)現(xiàn)具有表面織構的刀具可以有效地減少切削力；在制備表面織構時，應縮小表面織構寬度與深度的比率，以最大程度地減小切削力。SUGIHARA等[14-15]對酒窩紋理表面織構與條紋表面織構的性能進行比較，發(fā)現(xiàn)切削加工時，酒窩紋理表面織構所需要的切削液比條紋狀織構需要的少；在干切削條件下，酒窩狀表面織構可以儲存少量的切削液，增強切削效果，減小切削過程中刀具的磨損。此外，SUGIHARA等[15]在立方氮化硼刀具的側刀面加工表面織構，并進行高速切削鉻鎳鐵合金實驗。結果表明：在刀具的側刀面加工表面織構可以穩(wěn)定后刀面的黏附層，同時可以增加立方氮化硼刀具在高速切削情況下的使用壽命。

表面織構刀具在金屬切削過程中切削性能優(yōu)良，但由于表面織構刀具制備造價格高，在某些場合可以使用普通刀具來節(jié)約生產成本。為合理選擇加工刀具，本文作者運用有限元模擬方法，在不同摩擦因數下分別對表面織構刀具和普通刀具的切削過程進行研究，得到不同摩擦因數下切削力、切削溫度和應力場分布規(guī)律；通過對切削溫度和應力場的分析，得出不同摩擦因數下所需要使用的刀具。

1 金屬切削有限元模型

試驗采用的刀具包括帶有表面織構的刀具和普通刀具2種，刀具材料為CBN。普通刀具前角為8°,后角6°；織構刀具的織構形狀為圓弧形。文中分別建立了2種刀具的二維切削有限元模型。采用有限元仿真的方法，工件和刀具均采用自適應網格劃分的方法。工件材料為AISI 4340,網格為四邊形。在切削過程中，切削深度為0.5 mm，進給量為0.15 mm/r,切削速度為300 m/min。同時，工件、刀具、環(huán)境的初始溫度均為20 ℃。

1.1 材料本構模型

采用2種刀具，在相同加工條件下對加工工件過程進行仿真，得到了工件在被切削加工過程中切屑形成的過程，同時得到了工件、切屑和刀具的應力、應變及溫度的分布情況。在加工過程中，常常需要使用到材料模型，這個材料模型就是目前使用最為廣泛應用的Johnson-Cook材料模型[16]：

(1)

工件和材料的參數如表1所示，AISI 4340材料在JC模型中的參數如表2所示。

表1 工件和刀具的材料參數

表2 AISI 4340材料在JC模型中的參數

1.2 刀-屑摩擦模型

切屑是由于工件材料受到刀具的擠壓和摩擦作用而導致的組織纖維化，材料流速減緩并發(fā)生彎曲變形而形成的,如圖1所示。摩擦過程中產生的熱量使得刀具、切屑及已加工表面的溫度場、應力場和應變場重新分布，變量間的耦合作用直接影響材料的加工過程。OZEL和ALTAN[17]認為刀屑接觸面上同時存在黏結區(qū)和滑動區(qū)2個摩擦區(qū)，其中摩擦應力為常數的是黏結區(qū)，黏結區(qū)為內摩擦，內摩擦力約占總摩擦力的85%，故在分析金屬變形時，將著重考慮內摩擦[18]。文中采用修正的庫侖摩擦模型來描述刀屑之間的摩擦，可表述為

(2)

式中：μ為摩擦因數；τf為摩擦應力；σn為刀屑接觸面的正應力；τs為材料剪切屈服應力。

強夯法是進行地基處理的常用方法。應用強夯法對地基基礎進行處理，首先要將起重設備就位，并將夯錘從地面吊升至一定的高度，隨后松脫吊鉤，使夯錘從高空自由下落，對地基土體進行夯擊，在反復夯擊的過程中，土體密實度會不斷提高，從而使地基具有更高的承載能力，進而滿足工程建設施工的需要。強夯法適用于以飽和性黏土、粉土及碎砂石等為主的地層，利用強夯法進行地基處理，有助于地基抗震能力的增強，因此，在一些地震高發(fā)地區(qū)，通常采用強夯法對地基進行處理。

圖1 前刀面摩擦區(qū)域分布示意圖

1.3 分離準則

在切削的過程中，由于切屑不斷地形成，需要合理選擇切屑與工件的分離準則。目前，切屑分離準則有物理分離準則和幾何分離準則。由于文中采用有限元分析的方法來研究，因此需要選擇物理失效準則。

(3)

該剪切失效模型是基于單元積分點等效應變的，當系數ω超過1時，即認為該單元失效，在隨后的切削變形中該單元被刪除，不再具有材料屬性并參與后續(xù)計算。該式中為等效塑性斷裂應變，與應力、應變速率、溫度等有關。

1.4 刀具的幾何模型

如圖2所示為文中分析采用的常規(guī)刀具和織構刀具的前刀面結構，常規(guī)刀具和織構刀具的前角均為8°,后角均為6°?？棙嫷毒叩目棙嬓螤顬閳A弧形，圓弧形織構有利于切屑的排出，增加散熱面積。

圖2 常規(guī)刀具和織構刀具的前刀面

2 金屬切削過程仿真研究

2.1 摩擦因數對切削區(qū)溫度的影響

刀具的磨損和加工工件的表面粗糙度主要受切削熱和切削過程中溫度的影響。切削熱主要來源于切削過程中刀具和切屑之間的摩擦，刀具后刀面和工件之間的摩擦，切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形所產生的熱。因此刀-屑間摩擦因數的大小必然對切削溫度產生重要影響。

試驗所采用的材料屬于碳鋼類型，查找材料摩擦因數表可知：碳鋼與其他材料之間在干摩擦條件下的滑動摩擦因數區(qū)間為0.23～0.57。因此，試驗采用的刀屑間摩擦因數分別為0.1、0.3、0.5、0.7。

2.1.1 普通刀具的摩擦因數對切削區(qū)溫度的影響

普通刀具仿真分析得出的切削區(qū)溫度場云圖,如圖3所示。高溫區(qū)域主要集中在刀尖處，前后刀面均有分布，離刀尖距離越遠刀具表面溫度越低。這是因為刀尖處是切屑與工件的主要變形區(qū)域。在切屑變形過程中會產生大量切削熱從刀尖處傳遞到刀具中；同時由于刀尖處與工件表面的摩擦也會產生大量切削熱，所以刀尖處溫度最高。該狀態(tài)與刀尖實際溫度分布狀態(tài)相符。

第二變形區(qū)溫度最高，說明此處摩擦劇烈，產生熱量導致切屑和刀具接觸的地方溫度急劇升高。當刀屑間摩擦因數從0.1增加至0.7時，最高溫度也由731 ℃增加到914 ℃,這是由于摩擦強度增大，產熱增多。這是因為隨著刀-屑摩擦因數的升高，切屑與刀具接觸的阻力增大，切屑的彈塑性變形加大，從而產生的切削熱會增多；同時摩擦因數增大，刀具分別與切屑和已加工表面的摩擦增大，產生的熱量也會增加。第二變形區(qū)隨著摩擦因數增加不斷擴大，當摩擦因數達到0.7時，溫度場分布最大。

切屑的形態(tài)受摩擦因數的影響較大。當摩擦因數為0.1時，切屑的彎曲度較大，容易折向未加工表面；在摩擦因數大于等于0.3時，切屑彎曲度明顯降低，這說明較小的摩擦因數有利于排屑。

2.1.2 表面織構刀具的摩擦因數對切削區(qū)溫度的影響

表面織構刀具仿真分析得出的切削區(qū)溫度場云圖,如圖4所示，其溫度分布與常規(guī)刀具相似?？棙嫷毒咴谇邢鬟^程中，隨著摩擦因數的增大，刀具切削最高溫度只是由原來的827 ℃增加到997 ℃，與常規(guī)刀具相比，隨著摩擦因數的增高，織構刀具溫度升高的趨勢比常規(guī)刀具慢。

圖4 不同摩擦因數下織構刀具的溫度場分布

比較圖3和4可知：在較低摩擦因數下，織構刀具的最高溫度高于常規(guī)刀具。這主要由于在摩擦因數較小的情況下，刀具的切削力比較小，刀具與切屑之間的摩擦較小，織構刀具的表面織構增加的刀屑之間的接觸面積，增加的刀具與被切削工件金屬層因發(fā)生彈塑性變形做功轉化的熱能大于增加的刀屑接觸面積中所散發(fā)的熱能。但是，隨著摩擦因數的增加，常規(guī)刀具最高溫度上升趨勢明顯快于織構刀具，這是因為在摩擦因數增加的時候，表面織構的存在更好地發(fā)揮了散熱性能。因此，在摩擦因數較大的時候，常規(guī)刀具的溫度云圖中最高溫度區(qū)域相對集中，而具有表面織構的刀具所產生的熱量分布相對均勻。

對不同摩擦因數下2種刀具溫度場的對比分析可知，在摩擦因數較小的情況下，表面織構刀具的性能相對常規(guī)刀具而言并沒有優(yōu)勢，且由于表面織構刀具造價高，因此采用常規(guī)刀具更符合生產實際的要求。但隨著摩擦因數的增高，常規(guī)刀具已經無法滿足生產實際需求，此時，采用表面織構刀具更能節(jié)約成本，延長刀具的使用壽命。比較圖3和4可知：在摩擦因數小于0.3時，采用普通較為合適，在摩擦因數較大時，采用表面織構刀具較為合適。

2.2 摩擦因數對應力場的影響

圖5示出了在不同摩擦因數條件下普通刀具的應力分布情況。摩擦因數為0.1、0.3時，大應力分布區(qū)域相對較為狹小，第一變形區(qū)和刀屑接觸區(qū)是主要分布區(qū)域，后刀面也有分布；當摩擦因數增大時，應力分布開始變大，第一變形區(qū)得到擴展；μ=0.7時，應力分布主要集中在前刀面上，這表示前刀面上摩擦劇烈，因而產生的熱量增加。圖6示出了表面織構刀具在不同摩擦因數下的應力分布。

圖5 不同摩擦因數下常規(guī)刀具的應力分布

圖6 不同摩擦因數下織構刀具的應力分布

隨著摩擦因數的增加，應力分布并未出現(xiàn)很明顯的變化；但在同一摩擦因數下，和常規(guī)刀具相比，表面織構刀具所受的應力比較集中，這是由于表面織構刀具在切削過程中，由于織構形狀會對切削進行擠壓甚至二次切削，導致應力相對集中在刀屑接觸處。

對不同摩擦因數下2種刀具的應力云圖的對比分析可知，在切削過程中，若摩擦因數較小的情況下，常規(guī)刀具大應力分布區(qū)域相對較小，采取常規(guī)刀具切削的方法可節(jié)約生產成本，提高生產效率。但在摩擦因數較大的情況下，采取合適的表面織構刀具進行切削可降低應力。

2.3 摩擦因數對切削力的影響

保持其他參數不變，僅改變刀屑間摩擦因數，通過仿真分析對常規(guī)刀具和織構刀具在切削過程中主切削力(Fx)和背吃刀力(Fy)的平均值進行比較，結果如圖7所示。

圖7 主切削力和背吃刀力的變化趨勢

在摩擦因數較小時，無織構刀具的主切削力和背吃刀力都明顯小于織構刀具。這是因為在摩擦因數較小時，切屑的曲率半徑小，易產生斷屑，此時采用無織構刀具時能使切屑自然流出，而表面織構的存在則會導致斷屑擠壓在織構中，切屑無法自然排出，在織構中產生堆積，增加了刀具與斷屑之間的摩擦，導致切削力和背吃刀力上升。從圖7中可以看出：隨著摩擦因數的增大，無織構刀具的切削力也相應增大，這是由于切屑從前刀面流出的阻力增加更多，切屑在前刀面上的堆積嚴重，導致吃刀抗力增大；而對于表面織構刀具，隨著摩擦因數的增大，刀具所受的主切削力和背吃刀力小于無織構刀具，這是由于摩擦因數的增大，切屑的曲率半徑也隨之增大，此時表面織構則有利于排屑，因此，在摩擦因數增大時切削力和背吃刀力仍舊比較穩(wěn)定。

3 結論

(1)采用普通刀具切削時，隨著摩擦因數的增大切削溫度不斷升高，切屑的形態(tài)也在改變，切屑的彎曲度降低，長度變短。采用表面織構刀具切削時，隨著摩擦因數的增加雖然切削溫度也在升高，但是刀具的受熱均勻，且溫度升高的趨勢比常規(guī)刀具慢，有利于延長刀具的使用壽命。

(2)普通刀具在切削過程中隨著摩擦因數的升高，應力分布變化較為明顯，應力主要集中在刀-屑接觸區(qū)和第一變形區(qū)，主切削力和吃刀抗力都不斷增加。表面織構刀具在摩擦因數增大時，應力分布變化不大，切削性能更加穩(wěn)定。

(3)普通刀具隨著摩擦因數的增加，切削力也呈現(xiàn)上升趨勢，而織構刀具隨著摩擦因數的增加，切削力趨于穩(wěn)定。在摩擦因數較小時，普通刀具所受的切削力小于織構刀具，但隨著摩擦因數的增大，普通刀具所受的切削力一直上升，織構刀具所受的切削力則趨于穩(wěn)定并有小于普通刀具的趨勢。

(4)在摩擦因數小于0.3時，采用普通刀具較為合適，在摩擦因數大于0.3時，織構刀具性能優(yōu)于普通刀具，考慮到刀具的使用壽命，采用表面織構刀具較為合適。