溝槽形微織構(gòu)刀具切削性能仿真研究

，，

(貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

切削加工中常通過澆注切削液以起到冷卻和潤滑的作用，但切削液的存儲(chǔ)、使用以及處理會(huì)增加企業(yè)成本，甚至危害工人健康和自然環(huán)境。采用干切削是避免切削液缺點(diǎn)的最有效方法，但干切削時(shí)因冷卻潤滑條件差，會(huì)產(chǎn)生切削力大、切削溫度高以及刀具磨損嚴(yán)重等不利情況。因此，迫切需要研發(fā)針對(duì)干切削特點(diǎn)的新型刀具。研究表明，合理的表面微織構(gòu)形貌和尺寸可實(shí)現(xiàn)良好的減摩抗磨性[1-2]。因此在刀具表面摩擦磨損嚴(yán)重區(qū)域制備合理的微織構(gòu)，可提高刀具切削性能和抗熱磨損性能。

近年來，微織構(gòu)刀具開始受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。戚寶運(yùn)等[3]進(jìn)行了鈦合金切削試驗(yàn)，分析了在微量潤滑和無潤滑劑2種不同潤滑條件下微織構(gòu)刀具的摩擦磨損性能。Lei等[4]開展了微織構(gòu)自潤滑刀具切削1045鋼試驗(yàn)，利用Algor軟件分析了微坑尺寸對(duì)刀具性能的影響，并進(jìn)行了微織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具切削性能的對(duì)比研究。Kiyota等[5]開展了AISI 1045鋼正交切削試驗(yàn)，研究了織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具在切削過程中切削力、摩擦系數(shù)和切屑變形的規(guī)律。

本文以微織構(gòu)和無織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金(Ti6Al4V)為研究對(duì)象，運(yùn)用金屬切削仿真軟件AdvantEdge進(jìn)行了干式切削仿真，對(duì)比分析了2種刀具的切削力、切削刃最高溫度以及刀具最大應(yīng)力的變化規(guī)律。研究結(jié)果可為微織構(gòu)刀具設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 切削模型建立

1.1 材料模型

基于Johnson-Cook模型描述鈦合金材料的本構(gòu)行為，其表達(dá)式為

(1)

表1 工件材料J-C本構(gòu)參數(shù)

1.2 微織構(gòu)幾何參數(shù)

采用溝槽形微織構(gòu)刀具，織構(gòu)位于前刀面上的主切削刃附件，織構(gòu)方向垂直于主切削刃，截面為V形，織構(gòu)截面形狀和尺寸分別如圖1和表2所示。

圖1 微溝槽尺寸示意

表2 前刀面上織構(gòu)參數(shù) μm

1.3 切削仿真參數(shù)

使用的工件材料為Ti6Al4V，工件模型長5 mm，高2 mm。刀具為無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具2種，材料均為硬質(zhì)合金，仿真中采用的切削參數(shù)均一致。表3為2種材料的力學(xué)和物理性能參數(shù)[6-8]，刀具角度和切削用量如表4所示。設(shè)定初始切削溫度為20 ℃，切削過程中忽略空氣的對(duì)流傳熱，建立的微織構(gòu)刀具二維正交切削模型如圖2所示。

表3 刀具和工件材料力學(xué)、物理性能

表4 切削仿真參數(shù)

圖2 微織構(gòu)刀具二維正交切削模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 刀具切削刃最高溫度

從2種刀具提取的溫度分布云圖和切削刃最高溫度分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，無織構(gòu)刀具高溫區(qū)面積明顯大于微織構(gòu)刀具(圖3圈中區(qū)域)，微織構(gòu)刀具切削刃最高溫度相對(duì)無織構(gòu)刀具降低了4%，其散熱性能也優(yōu)于無織構(gòu)刀具。主要原因?yàn)榍暗睹嫔系奈喜蹨p小了刀-屑直接接觸面積，減少了刀-屑摩擦作用產(chǎn)生的熱量，增大了刀具散熱面積[3-9]。

圖3 刀具溫度分布云圖

圖4 刀具切削刃最高溫度仿真結(jié)果

2.2 切削力

由2種刀具的主切削力時(shí)域變化曲線(如圖5所示)可知，干切削時(shí)微織構(gòu)刀具相對(duì)于無織構(gòu)刀具切削力更小，但切削力震蕩更加激烈，主要原因?yàn)榍邢鬟^程中刀-屑接觸面積不斷變化。切削力仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，相對(duì)于無織構(gòu)刀具，微織構(gòu)刀具切削過程中主切削力減小3%，進(jìn)給力減小7%。該現(xiàn)象主要由2方面的原因引起：一方面織構(gòu)的存在減小了刀-屑直接接觸面積，改善了刀-屑間的摩擦狀況；另一方面微織構(gòu)相當(dāng)于使前刀面上存在多個(gè)切削刃同時(shí)進(jìn)行切削[2-3，10]。

圖5 切削力時(shí)域變化

圖6 切削力仿真結(jié)果

2.3 刀具切削刃最大應(yīng)力

從2種刀具提取的應(yīng)力分布云圖和最大應(yīng)力值分別如圖7和圖8所示，由圖7和圖8可知，微織構(gòu)刀具切削刃最大應(yīng)力比無織構(gòu)刀具低22%,無織構(gòu)刀具最大應(yīng)力主要分布在切削刃附件區(qū)域，而微織構(gòu)刀具則主要集中在切削刃和溝槽附件(圖7圈中區(qū)域)，刀具整體應(yīng)力分布也較為均勻。這是由于微織構(gòu)的存在使得原本由切削刃承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖棙?gòu)的面接觸，減少了部分高應(yīng)力區(qū)數(shù)量，改善了前刀面上的應(yīng)力分布[2-3]。

圖7 刀具最大應(yīng)力分布云圖

圖8 刀具最大應(yīng)力仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

利用AdvantEdge軟件開展了微織構(gòu)和無織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具干式切削Ti6Al4V仿真研究，得到以下結(jié)論:

a.相對(duì)于無織構(gòu)刀具，微織構(gòu)刀具散熱性能更優(yōu),切削刃最高溫度更低，高溫區(qū)面積更小。

b.微織構(gòu)刀具切削力小于無織構(gòu)刀具，但震蕩更劇烈。

c.微織構(gòu)刀具最大應(yīng)力低于無織構(gòu)刀具，應(yīng)力主要集中在溝槽附件，刀具整體應(yīng)力分布較為均勻。