切削40CrMnMo微槽車刀的槽形改進(jìn)設(shè)計研究*

杜尚霖，何 林,2，蔣宏婉

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004；3.貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003)

0 引言

在金屬切削過程中切削溫度對刀具壽命、加工表面質(zhì)量和加工效率有重要影響，過高的切削溫度會加劇刀具磨損，改變加工表面的殘余應(yīng)力狀況，甚至導(dǎo)致工件表面燒傷。研究表明在刀具前刀面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效降低刀具切削溫度，提高刀具綜合切削性能，如何設(shè)計合理的刀具結(jié)構(gòu)以降低切削溫度，受到了廣泛關(guān)注。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者多有研究。例如，F(xiàn)atima Anis 等利用飛秒激光在刀具的后刀面上形成微結(jié)構(gòu)，在42CrMo上進(jìn)行切割試驗以研究微結(jié)構(gòu)形狀的影響，結(jié)果表明微結(jié)構(gòu)顯著降低了切削力，切削溫度，壓縮比，接觸長度和功耗。B?rner Richard等針對鋁合金成形產(chǎn)生大摩擦力導(dǎo)致溫度升高的問題，研究了刀具的微結(jié)構(gòu)化和不同碳基層對摩擦特性的影響，試驗表明，微結(jié)構(gòu)化刀具的摩擦系數(shù)顯著降低。還有很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)的置入有利于改善刀具表面切削溫度分布，降低切削溫度，減小切削力。貴州大學(xué)研究團(tuán)隊[5-9]基于溫度場微槽創(chuàng)新方法，針對難加工材料切削刀具的前刀面切削刃近域微槽的設(shè)計進(jìn)行了不斷探索,楊薪玉研究了切削Ti6Al4V過程微槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對切削溫度、切削力的影響規(guī)律，優(yōu)化了微槽參數(shù)，占剛對比研究了新型微槽槽車刀和原車刀切削304不銹鋼過程的切削能變化，建立了切削能與前刀面溫度的正相關(guān)關(guān)系模型，設(shè)計的新型微槽車刀較原車刀有效地降低了剪切能、摩擦能和切削溫度，蔣宏婉利用溫度場曲面逆向造型創(chuàng)新設(shè)計了微槽，研究刀具前刀面微槽對切削溫度和切削力的影響，并結(jié)合PD理論對開展評價研究，以上研究表明所設(shè)計的微槽車刀相比原車刀在綜合切削性能均取得了良好效果。

以上研究均未從細(xì)化槽形后部結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行探索，為進(jìn)一步研究槽形對降溫效果影響，本文在加工40CrMnMo微槽基礎(chǔ)上對其后部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，研究微槽后部結(jié)構(gòu)形狀對降溫效果和切削力變化的影響。

1 有限元切削模型

1.1 刀具及工件材料參數(shù)

本研究的刀具基本模型來源于某企業(yè)目前生產(chǎn)制造的一款刀片的實際模型，刀具為硬質(zhì)合金涂層刀片，刀具材料為硬質(zhì)合金P20，采用粉末冶金模壓工藝制造，刀具材料成分、涂層材料參數(shù)和加工材料40CrMnMo的成分如表1～表3所示。

表1 刀具材料成分比

表2 刀具涂層材料成分比

表3 工件材料成分比

1.2 微槽的改進(jìn)設(shè)計

(1)改進(jìn)設(shè)計

本改進(jìn)的微槽是利用溫度場曲面逆向造型方法，在Deform-3D篩選云點數(shù)據(jù)，導(dǎo)入NX10.0三維造型平臺，逆向擬合出網(wǎng)格曲線形成的，設(shè)計過程中對設(shè)計的槽形進(jìn)行了合理的優(yōu)化設(shè)計和強(qiáng)度校核研究評價，得到的模型槽形模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。本改進(jìn)設(shè)計研究是在該槽形模型基礎(chǔ)上，設(shè)計不同的不同微槽后部后翹夾角和不同連接方式，利用有限元軟件Deform-3D軟件，研究槽尾結(jié)構(gòu)變化后微槽車刀的切削過程，對比分析連接槽形對切削力和切削溫度變化影響。

(a) 微槽車刀模型 (b) 槽形結(jié)構(gòu)參數(shù) 圖1 微槽模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

在NX10.0平臺進(jìn)行微槽車刀槽尾形狀定量設(shè)計，保持槽底的深度0.15mm不變，采用兩種方式改變微槽后部造型，一是設(shè)計槽后部與前刀面的連接方式，分別選取直線連接和曲線兩種連接，如圖2槽形的幾何剖面圖，MST代表采取直線連接方式的微槽車刀，MCT代表采取曲線連接方式的微槽車刀，直線和曲線連接連接的微槽車刀均保持槽寬一致；二是改變槽后部和前刀面的角度，定義θ為微槽槽底與前刀面上微槽后部端連線和前刀面法線夾角，稱為微槽后翹夾角，如圖2所示。微槽后翹夾角θ的設(shè)計角度范圍為25°～85°，分別設(shè)計了25°、45°、65°和85°不同后翹夾角微槽車刀。為研究方便，不同微槽后翹夾角大小和不同槽后部與前刀面的連接方式，分別用MST-θ和MCT-θ表示直線連接和曲線連接微槽后翹夾角為θ的槽形。

(a) MST-θ (b) MCT-θ 圖2 槽形的幾何結(jié)構(gòu)剖面圖

(2)曲面重構(gòu)造

在原有微槽基礎(chǔ)上以特征點→引導(dǎo)線→曲面的順序重新構(gòu)造微槽曲面。改進(jìn)設(shè)計選取的溫度場與原溫度場一致，取值范圍為558℃～737℃，得到類似月牙洼狀的溫度場區(qū)域的點位置數(shù)據(jù)，在NX10.0三維建模平臺上，創(chuàng)建基準(zhǔn)面并導(dǎo)入點數(shù)據(jù)，保持槽深度0.15mm不變，在垂直基準(zhǔn)面尋求微槽最低幾何中心點，以中心點位置進(jìn)行不同后部連接設(shè)計。直線和曲線連接方式的設(shè)計方法相似。以直線連接為例，令直線與前刀面法線呈的夾角為θ，直線與前刀面的交點為邊界特征點，采用橋接曲線方式連接這些特征點形成輪廓封閉線、縱向引導(dǎo)線和橫向引導(dǎo)線，槽形引導(dǎo)線示意圖如圖3所示。網(wǎng)格曲面成形方式包括直紋、曲線組、曲線網(wǎng)格和藝術(shù)曲面幾種方式。考慮到溫度場曲面較為復(fù)雜不規(guī)則，選取曲線網(wǎng)格方式構(gòu)造出微槽，重構(gòu)完成微槽設(shè)計。

圖3 槽形引導(dǎo)線示意圖

(3)前處理參數(shù)設(shè)置

利用NX 10重構(gòu)造的刀具幾何模型并以STL格式文件導(dǎo)出，在Deform-3D中3D-Cutting模塊導(dǎo)入STL文件，設(shè)定刀具、工件以及切削模擬條件和模型幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，校準(zhǔn)刀具及其微槽的相對位置，建立的三維切削有限元仿真模型如圖4所示。假定刀具和工件初始溫度和環(huán)境溫度都為20°C，傳熱系數(shù)為1000kW/(m2·k)，切削速度vc、切削深度ap、進(jìn)給量f、摩擦系數(shù)μ分別設(shè)定為：110m/min、1.8mm、0.35mm/r、0.4，設(shè)定刀具的角度參數(shù)如表4所示。

表4 刀具各角度參數(shù)

從刀具庫中選擇WC類硬質(zhì)合金刀具類型，根據(jù)涂層材料成分比設(shè)置涂層，選擇第二類刀具并定義刀具網(wǎng)格劃分，選擇刀具的Size Ratio為8，選定50000個網(wǎng)格，為了減少計算量又保證計算精度，利用網(wǎng)格重劃分在前刀面近域切削區(qū)域劃分密集網(wǎng)格模型，非切削區(qū)域劃分稀疏網(wǎng)格模型。有限元工件模型定義為塑性變形，選取材料庫中【steel-at-Ext】AISI-4140(machining)材料作為工件的材料，加工工件尺寸直徑為100mm，彎曲弧度為20°，選用絕對劃分方式【Use absolute mesh size】劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格最小單元尺寸Size Ratio為8。

圖4 切削模型

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 微槽槽形對切削溫度的影響

前刀面的切削溫度很難通過實驗直接測量，Deform-3D仿真結(jié)果與實際值有較好的一致性，通過對不同后翹夾角和連接方式的微槽進(jìn)行切削仿真實驗，在Deform-3D-Post得到切削溫度分布情況，觀察實驗組仿真結(jié)果的降溫幅度，不同后翹夾角和連接方式組合的最高切削溫度如表5所示。

表5 不同后翹夾角和連接方式對最高切削溫度的影響

由表5可發(fā)現(xiàn)，微槽后翹夾角和連接方式會對最高切削溫度有顯著的直接影響，最高溫度變化范圍超過200℃。相同連接方式下，最高溫度均隨后翹夾角呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，MST截面微槽和MCT截面微槽數(shù)據(jù)均表明降溫效果65°后翹夾角值微槽優(yōu)于85°和45°后翹夾角值，25°后翹夾角微槽降溫不佳。連接方式對最高切削溫度有重要影響，MST截面微槽與MCT截面微槽車相比，前者相降溫幅度更佳，當(dāng)后翹夾角為65°時，直線和曲線連接方式的最高切削溫度均最低，亦即65°后翹夾角時的降溫幅值最大。原微槽車刀最高切削溫度為 535℃[10]，MST-65和MCT-65最高切削溫度均小于535℃，當(dāng)MST截面微槽微槽后翹夾角為65°時，最高溫度最低值為466℃，相對于未經(jīng)改進(jìn)設(shè)計微槽降溫幅度達(dá)到13%，降溫效果非常明顯。

不同后翹夾角的MST截面微槽仿真溫度分布云圖如圖5所示。由溫度分布圖觀察在切削刃近域呈現(xiàn)大致相似月牙形狀，切削熱主要產(chǎn)生部位均為前刀面切削刃附近，但最高溫度并不出現(xiàn)在刀刃，而是距離刀刃0.1～0.5mm處，溫度變化呈現(xiàn)梯度遞減趨勢，最寬邊界不超過2mm處，近主切削刃處的溫度比遠(yuǎn)離切削刃處的溫度高，這與傳統(tǒng)切削理論相符合。由溫度云圖，以高溫區(qū)域(529℃～630℃)月牙狀區(qū)域面積觀察，可見當(dāng)后翹夾角為65°時，溫度場面積最小，其前后高溫區(qū)域逐漸增大，由此可見，后翹夾角改變了刀屑接觸狀況及其區(qū)域大小，合理的后翹夾角有利于降低刀屑接觸區(qū)域的溫度。

(a) MST-25 (b) MST-45

(c) MST-65 (d) MST-85 圖5 MST-θ最高切削溫度云圖

除了最高切削溫度能反映降溫效果，平均切削溫度也能有效評價降溫效果，MST-65和MCT-65切削40CrMnMo過程溫度變化見圖6。由圖可見，在開始切削直到溫度穩(wěn)定整個過程中，由于熱量聚集和熱傳遞的關(guān)系，平均溫度逐漸增高，直至穩(wěn)態(tài)達(dá)到最高，與最高切削溫度規(guī)律相似，MST-65的平均溫度也低于MCT-65的平均溫度，且切削過程平均切削溫度低于500℃，表現(xiàn)出良好的降溫效果。

圖6 MST-65和MCT-65切削過程溫度變化

2.2 微槽槽形對切削力的影響

切削力是刀具和工件相互作用的直接結(jié)果，直接影響刀具的服役性能和工件變形。切削三個分力中，對切削過程影響最大的是主切削力，因此本節(jié)主要分析微槽槽形對主切削力的影響。采用相同的切削仿真軟件和相同的切削條件，得到微槽后翹夾角和連接方式對主切削力的影響如圖7所示。由圖可知：相同連接方式下，隨著后翹夾角θ增加，切削力呈現(xiàn)下降的趨勢；當(dāng)微槽后翹夾角大于45°時，相同微槽后翹夾角下，MST截面微槽相對于MCT截面微槽切削力略小，最大降幅可達(dá)16%。原微槽車刀主切削力為2826N[9]，MST和MCT截面微槽相對于原微槽，主切削力的總降幅為2%～16%。

圖7 微槽后翹夾角和連接方式對主切削力的影響

基于金屬切削理論，在金屬車削過程，切屑流出經(jīng)過前刀面微槽，在前刀面微槽區(qū)刀屑接觸，由于接觸區(qū)法向力分布不均勻，靠近切削刃處較大，遠(yuǎn)離切削刃較小，這就導(dǎo)致了接觸區(qū)摩擦狀態(tài)是變化的。微槽的置入必然會影響微槽刀具切削的刀屑力平衡，改變了力的分配。隨著微槽后翹夾角的增加，刀屑接觸分離點沿著微槽后翹內(nèi)壁向著遠(yuǎn)離主切削刃的方向移動，增加了刀屑接觸長度，降低了接觸正壓力，形成新的刀屑平衡力系，呈現(xiàn)隨微槽后翹夾角增加，切削合力呈減小趨勢。

由于MST截面微槽相對降溫幅度更好，詳細(xì)分析MST截面微槽切削力變化過程，削力對比圖見圖8，由圖發(fā)現(xiàn)切削力呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的趨勢，少數(shù)地方出現(xiàn)突變的情況，這是由于切屑分離斷開和網(wǎng)格劃分問題導(dǎo)致，并不影響結(jié)果的正確性。對微槽刀具主切削力分析的結(jié)果表明，隨著切削的進(jìn)行，切削力逐漸穩(wěn)定，切削力大小均不相同，相對于原微槽車刀，切削力均變小，后翹夾角越大，切削力變小幅度越明顯。這是由于微槽后翹夾角變化屬于結(jié)構(gòu)改變，因此力的角度和分配產(chǎn)生變化，同時微槽結(jié)構(gòu)減小了刀屑接觸區(qū)實際接觸面積，導(dǎo)致主切削力變小。

圖8 MST截面微槽車刀切削力對比圖

3 結(jié)束語

本文通過有限元軟件Deform-3D模擬了硬質(zhì)合金涂層刀具切削40CrMnMo過程，獲取前刀面溫度場分布情況，在三維造型軟件UG中進(jìn)行了微槽改進(jìn)設(shè)計，分析研究MST截面微槽車刀和MCT截面微槽車刀的切削溫度和切削力，結(jié)果表明：這兩種微織構(gòu)刀具均有明顯的降溫效果，主切削力有明顯減??；MST截面微槽車刀比MCT截面微槽車刀切削性能更優(yōu)越，表現(xiàn)出良好的降溫和降主切削力效果；MST-65相對于其余后翹夾角設(shè)計降溫性能更優(yōu)，有利于提高的刀具使用壽命。