形狀因子對(duì)切削力和切削溫度影響的仿真分析*

趙雪峰，吳志鵬，杜宇超，鄭鵬飛

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，貴陽 550025)

0 引言

切削力是刀具切削時(shí)工件所產(chǎn)生的抵抗阻力。切削熱是由工件塑性變形所轉(zhuǎn)化的熱量、刀具與切屑、刀具與工件摩擦所轉(zhuǎn)化的熱量共同組成。切削工件時(shí)刀具刃口形狀的改變使刀尖圓弧半徑、刀具前角、后角發(fā)生變化，從而改變切削力和切削溫度。因此，研究刀具刃口形狀對(duì)切削性能的影響具有十分重要的意義。Y C Yen研究發(fā)現(xiàn)切削刃的的微觀形貌直接影響切屑變形、殘余應(yīng)力和溫度的分布，從而影響刀具壽命。Wyen B等[1]分析了現(xiàn)有刃口輪廓表征方式在應(yīng)用中的難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的切削刃幾何參數(shù)化算法，減少了現(xiàn)有方法應(yīng)用中的不確定性和困難。Jaroslava Fulemova等[2]在銑削工具鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，磨損量主要取決于硬質(zhì)合金刀具的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而形狀因子(K>1)時(shí)對(duì)刀具壽命有積極影響。P I Varela 等[3]研究了不同的刃口形狀對(duì)切削后的殘余應(yīng)力及已加工零件的表面質(zhì)量的影響。王海生[4]采用噴砂法獲得不同的刃口形貌，并采用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)切削過程中刀具刃口磨損狀況。陳云[6]研究了切削刃法剖面不同曲線刃口微觀形貌對(duì)切削應(yīng)力和切屑形貌的影響。王樂[7]研究發(fā)現(xiàn)，瀑布型刃口，刀具刃口強(qiáng)度更高在切削加工時(shí)刀具不容易發(fā)生崩刃。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于刀具刃口的研究主要為對(duì)稱型刃口，對(duì)非對(duì)稱型刃口研究較少。國外學(xué)者對(duì)非對(duì)稱型刃口的研究主要為車刀刃口形狀對(duì)切屑變形、刀具壽命以及刀具磨損等影響的研究。目前，國內(nèi)外對(duì)銑刀刃口形狀對(duì)切削性能影響的研究較少，本文主要研究銑刀刃口輪廓的變化對(duì)切削力和切削溫的影響規(guī)律。

1 非對(duì)稱刃口形貌介紹

文章采用光學(xué)三維測(cè)量?jī)x對(duì)鈍化后的刀具刃口形貌進(jìn)行檢測(cè)。如圖1所示，為光學(xué)三維測(cè)量?jī)x下觀察到的銑刀刃口處圖像。外國學(xué)者根據(jù)刃口輪廓的對(duì)稱性將其分為兩大類，分別為形狀因子K<1時(shí)的瀑布型和K>1時(shí)的喇叭型。B Denkena 等提出了任何切削刃的非對(duì)稱問題K-factor 方法，如圖2所示，采用從頂點(diǎn)刀尖1 和刀尖2的比率Sγ/Sa即K因子來表示，邊緣的扁平度通過參數(shù)△γ和φ的比值來表示，這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單且可視化[8]。

圖1 刃口三維示意圖 圖2 刃口表征方法

2 有限元模型的建立

采用有限元軟件Advantedge 對(duì)切削加工過程進(jìn)行切削模擬。

(1)刀具。采用四齒硬質(zhì)合金立銑刀。直徑為10 mm，前角14°，后角24°，螺旋角30°，刃寬1.7 mm。使用SolidWorks建立不同k因子的銑刀模型。切削過程中刀柄不參與切削,為節(jié)省仿真時(shí)間提高計(jì)算效率，去掉刀柄部分僅保留切削刃部分,并根據(jù)銑刀長(zhǎng)度設(shè)置刀具震動(dòng)模型。簡(jiǎn)化后銑刀模型如圖3所示。

圖3 銑刀簡(jiǎn)化模型

(2)工件。工件尺寸為60×160×30mm ，從材料庫中選擇AISI-1045，材料性能參數(shù)：布氏硬度200HB，抗拉強(qiáng)度630MPa，屈服強(qiáng)度375MPa。

(3)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格設(shè)置過大影響仿真精度，設(shè)置過小影響仿真時(shí)間。綜合考慮仿真效率和仿真精度尋找恰當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。使遠(yuǎn)離切削刃的網(wǎng)格大一些，切削刃附近的網(wǎng)格小一些。最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.8 mm，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.004 mm。

(4)仿真設(shè)置。主軸轉(zhuǎn)速n=3000r/min、每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/tooth、銑削寬度ae=1.5mm。銑削深度ap=2 mm，初始溫度設(shè)置為20°C，仿真角度設(shè)為90°，仿真模型如圖4所示。

圖4 刀具與工件模型

3 單因素切削仿真結(jié)果分析

金屬切削過程是切削力和切削溫度相互影響的過程，因此當(dāng)刃口形狀發(fā)生改變時(shí)切削力和切削溫度均發(fā)生變化。文章主要研究刃口形狀對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律。

(1)Sγ對(duì)切削力的影響規(guī)律

如圖5所示，令Sα=30，Sγ分別等于20μm、30μm、45μm、60μm。隨著Sγ的增大,軸向力Fx、徑向力Fy和切向力Fz先增大后減小。這是由于非對(duì)稱刃口本身的特殊性，使以兩段圓弧的相切點(diǎn)為分界線,Sγ增加，靠近前刀面的圓弧半徑增加，帶動(dòng)后刀面的圓弧半徑減小，刀尖圓弧半徑整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，故切削力呈先增大后減小。當(dāng)Sγ=20時(shí)，前角最大，刃口鋒利、摩擦力小、切削變形小，從而切削力小。

圖5 Sγ對(duì)切削力的影響規(guī)律

(2)Sα對(duì)切削力的影響規(guī)律

如圖6所示，令Sγ=30，Sα分別等于20μm、30μm、45μm、60μm。隨著Sα的增大，形狀因子K從1.5減小到0.5。徑向力Fy和切向力Fz隨著Sα的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于Sα從20增加到30時(shí)，形狀因子從1.5減少到1，刃口半徑增大，擠壓力和摩擦力增加，切削力增加。當(dāng)Sα繼續(xù)增加，由于非對(duì)稱刃口的特殊性使兩段圓弧的相切點(diǎn)為分界點(diǎn)，靠近后刀面的圓弧半徑增加，帶動(dòng)前刀面的圓弧減小，使切削刃逐漸鋒利。當(dāng)Sα=60μm時(shí)，形狀因子K=0.5與圓弧型刃口(K=1)相比軸向力Fx降低15.3%，徑向力Fy下降41.3%，切向力下降18.9%。這是由于與圓弧刃相比此時(shí)刃口較為鋒利，切削變形和擠壓力減小，因此切削力降低。

圖6 Sα對(duì)切削力的影響規(guī)律

(3)Sγ對(duì)切削溫度的影響規(guī)律

如圖7所示，切削溫度隨Sγ的增加而增加。這時(shí)由于Sγ增加過程中，刀具前角減小，使切削變形產(chǎn)生的熱量以及刀具和切屑摩擦產(chǎn)生的熱量增加，刀具后角增大，散熱條件變差，故切削溫度增加。

圖7 Sγ對(duì)切削溫度的影響規(guī)律

(4)Sα對(duì)切削溫度的影響規(guī)律

從圖8所示，Sα增大，形狀因子K減小,當(dāng)Sα從20μm增加到45μm時(shí)，形狀因子K從1.5減小到0.67。這是由于隨著Sα增大，刀具前角增大，前角的增大使切削刃鋒利、摩擦力減小、切削變形減小，但散熱條件差溫度升高。當(dāng)Sα繼續(xù)增加，形狀因子K從0.67減小到0.5。前角趨于穩(wěn)定，后角繼續(xù)減小改善散熱條件溫度降低。

圖8 Sα對(duì)切削溫度的影響規(guī)律

4 正交切削仿真分析

切削加工過程中，每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、軸向切深、形狀因子K等因素都會(huì)對(duì)切削力產(chǎn)生影響，為了更好反應(yīng)這些因素對(duì)切削力的綜合影響，采用正交法設(shè)計(jì)五因素五水平的正交方案，如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案

表2 Fx的極差分析

表3 Fy的極差分析

表4 Fz的極差分析

5 結(jié)論

建立不同的銑刀三維模型在有限元軟件Advantedge中模擬了銑削加工過程。得到以下結(jié)論：

(1)Sγ與Sα變化，刃口形狀改變，刀尖圓弧半徑改變，刀具與工件、刀具與切屑間的摩擦力和擠壓力改變，故切削力發(fā)生變化。

(2)Sγ與Sα變化，使刀具前角和刀具后角改變，散熱條件發(fā)生變化，同時(shí)，由于刃口形狀的變化使刀具與工件和切屑的接觸面積改變，故切削溫度改變。

(3) 對(duì)Fx而言，軸向切深的影響最大，每齒進(jìn)給，徑向切深，轉(zhuǎn)速次之，形狀因子的影響最小;對(duì)徑向力Fy而言，徑向切深影響最大，軸向切深，轉(zhuǎn)速，每齒進(jìn)給次之，形狀因子影響最小。對(duì)Fz而言軸向切深影響最大，其次是每齒進(jìn)給，轉(zhuǎn)速，徑向切深，形狀因子對(duì)Fz的影響最小。