基于田口法的微織構(gòu)PCBN刀具織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

凡林，鄧子龍，高興軍，魏正義

基于田口法的微織構(gòu)PCBN刀具織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

凡林，鄧子龍，高興軍，魏正義

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001）

利用有限元分析軟件ABAQUS研究微織構(gòu)PCBN刀具車削Cr12MoV的過程，采用田口法進(jìn)行正交試驗設(shè)計，通過信噪比分析方法研究刀-屑實(shí)際接觸面積、切削力和切削溫度隨織構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，并獲得織構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。結(jié)果表明，刀-屑實(shí)際接觸面積分別隨織構(gòu)槽寬和織構(gòu)刃邊距的增大而減小，織構(gòu)槽寬和織構(gòu)刃邊距對刀具的切削性能影響最顯著；與無織構(gòu)刀具對比，選取最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)組合的微織構(gòu)PCBN刀具可使切削力降低5.2%，切削溫度降低4.7%。

PCBN； 織構(gòu)參數(shù)； 田口法

聚晶立方氮化硼（polycrystalline cubic boron nitride，PCBN）刀具具有高硬度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、高溫硬度及高加工精度等優(yōu)異性能，適用于模具鋼、淬硬鋼、軸承鋼等高硬鐵系金屬材料的切削加工，可在實(shí)現(xiàn)“以車代磨”的同時提高加工效率，降低加工成本[1]。國內(nèi)外學(xué)者對如何改善PCBN刀具的切削性能、降低切削過程的切削力及切削溫度進(jìn)行了諸多研究，有學(xué)者將微織構(gòu)應(yīng)用到刀具表面，并發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)可以降低切削過程的切削力、切削溫度，延緩刀具磨損，提高表面質(zhì)量[2-5]。楊超等[6]利用微織構(gòu)刀具對45鋼進(jìn)行切削試驗，發(fā)現(xiàn)合理的刀具表面織構(gòu)能夠減小切削力，改善工件表面質(zhì)量，降低切屑形變。劉澤宇等[7]對微織構(gòu)陶瓷刀具進(jìn)行單因素摩擦磨損實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)陶瓷刀具的表面摩擦系數(shù)較無織構(gòu)陶瓷刀具更低，耐磨性更好，應(yīng)力分布更均勻。T.Sugihara等[8]為了研究微織構(gòu)刀具與刀具耐磨性的關(guān)系，對前刀面有/無微織構(gòu)的硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行了對比試驗。結(jié)果表明，微織構(gòu)刀具能夠減小刀具前刀面上月牙洼的磨損，提高刀具的切削性能。王曉明等[9]利用ABAQUS進(jìn)行有/無織構(gòu)刀具的有限元仿真并進(jìn)行了切削試驗。結(jié)果表明，與無織構(gòu)刀具相比，在刀具表面加工合適的織構(gòu)可提高刀具的切削性能，而且混合型織構(gòu)刀具可將切削力降低12.6%，切削溫度降低16.5%。段曉云等[10]通過正交試驗法研究了微織構(gòu)參數(shù)對硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響。結(jié)果表明，參數(shù)合適的溝槽型微織構(gòu)能夠有效地降低切削力及刀屑界面的摩擦系數(shù)。李慶華等[11]利用激光技術(shù)在PCBN刀具前刀面加工出不同尺寸的微槽，通過有限元仿真和切削試驗得出以下結(jié)論：隨著切削速度的增大，不同微槽的微織構(gòu)PCBN刀具前刀面與切屑之間的摩擦力及總切削力均減小。潘晨等[12]對不同類型、不同尺寸的微織構(gòu)PCBN刀具進(jìn)行了干式車削GCr15試驗。結(jié)果表明，槽型織構(gòu)刀具對工件表面殘余應(yīng)力的分布具有明顯改善作用，并能提高加工工件表面的耐磨性和耐疲勞性能。

由此可知，微織構(gòu)是提高PCBN刀具切削性能的一個有效途徑，而目前關(guān)于微織構(gòu)刀具的研究多集中于硬質(zhì)合金刀具，對微織構(gòu)PCBN刀具的研究相對較少。本文利用ABAQUS軟件對微織構(gòu)PCBN刀具車削模具鋼Cr12MoV過程進(jìn)行有限元仿真，采用田口試驗法研究各織構(gòu)參數(shù)對微織構(gòu)PCBN刀具切削過程中刀-屑實(shí)際接觸面積、切削力、切削溫度的影響，以期獲得并驗證織構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。

1 切削模型的建立

1.1 工件及刀具材料

工件材料選用模具鋼Cr12MoV，其主要合金元素為Cr，碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%～1.6%，具有較高的淬透性、硬度和抗拉強(qiáng)度，且耐磨性好，抗回火能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于軸承、汽車、模具領(lǐng)域。刀具選用PCBN車刀。Cr12MoV及PCBN的材料性能參數(shù)見表1。

表1　Cr12MoV及PCBN的材料性能參數(shù)[13-14]

1.2 材料本構(gòu)模型

Joson-Cook本構(gòu)模型從室溫到材料熔點(diǎn)范圍內(nèi)均有效，綜合考慮了應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和溫度軟化對材料流動應(yīng)力的影響，特別適用于定義高應(yīng)變率下的金屬材料，在切削領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。Joson-Cook本構(gòu)方程：

表2　Cr12MoV的Joson-Cook模型參數(shù)[13]

1.3 斷裂準(zhǔn)則

Joson-Cook失效準(zhǔn)則考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率、壓力和溫度，能更好地反映應(yīng)變率與溫度的變化。材料失效參數(shù)定義為：

表3　Cr12MoV的材料失效參數(shù)[15]

1.4 切削模型

選取切削速度為60 m/min，進(jìn)給量為0.1 mm，切削深度為1 mm。工件的幾何尺寸為1.2 mm×0.7 mm。將工件的刀屑接觸區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，非接觸區(qū)域不參與切削，采用過渡網(wǎng)格劃分法，越遠(yuǎn)離切削的部分劃分越稀疏，以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高運(yùn)算速度；采用CPE4RT類型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，元素類型設(shè)置為溫度-位移耦合。根據(jù)車削加工過程中工件的實(shí)際裝夾要求，將工件的左側(cè)面、底面及右側(cè)面不與刀具接觸的部分設(shè)置為完全固定。根據(jù)PCBN刀具的實(shí)際幾何參數(shù)，在仿真建模中，刀具前角設(shè)為0°，后角設(shè)為7°，將刀尖與織構(gòu)位置的網(wǎng)格細(xì)化，采用CPE3RT類型自由網(wǎng)格。PCBN刀具車削Cr12MoV的有限元模型如圖1所示。

圖1　PCBN刀具車削Cr12MoV的有限元模型

2 仿真試驗設(shè)計

將微織構(gòu)凹槽截面設(shè)計為V型，有利于降低加工微織構(gòu)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度，故織構(gòu)類型采用平行于主切削刃的V型溝槽。影響微織構(gòu)刀具切削性能的主要參數(shù)包括織構(gòu)槽寬、織構(gòu)槽深、織構(gòu)間距和織構(gòu)刃邊距，微織構(gòu)PCBN刀具前刀面織構(gòu)參數(shù)示意圖如圖2所示。

圖2　微織構(gòu)PCBN刀具前刀面織構(gòu)參數(shù)示意圖

采用田口法[16]，將織構(gòu)槽寬、織構(gòu)槽深、織構(gòu)間距和織構(gòu)刃邊距四個因素設(shè)為可控因子，每個可控因子設(shè)計五個水平，微織構(gòu)PCBN刀具的可控因子水平表配置見表4，微織構(gòu)PCBN刀具參數(shù)的正交設(shè)計表見表5。根據(jù)表5，分別對25組參數(shù)的織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具進(jìn)行切削仿真試驗，記錄各組的刀屑接觸面積、切削力、切削溫度。

表4　微織構(gòu)PCBN刀具的可控因子水平表配置 μm

表5　微織構(gòu)PCBN刀具參數(shù)正交設(shè)計表 μm

在仿真試驗過程中，刀-屑接觸面積、切削力、切削溫度的數(shù)值越小越好，故采用望小特性。望小特性信噪比可表示為：

3 結(jié)果分析

3.1 刀-屑實(shí)際接觸面積

刀-屑實(shí)際接觸面積是影響切削力和切削溫度的重要因素，分析刀-屑實(shí)際接觸面積隨織構(gòu)參數(shù)的變化趨勢有助于研究切削力和切削溫度的變化規(guī)律。刀-屑接觸面積的信噪比主效應(yīng)圖如圖3所示。

圖3　刀-屑接觸面積的信噪比主效應(yīng)圖

由圖3可以看出，影響刀-屑實(shí)際接觸面積的最主要因素是織構(gòu)刃邊距和織構(gòu)間距，其次是織構(gòu)槽寬，織構(gòu)槽深的影響最小。刀-屑實(shí)際接觸面積分別隨織構(gòu)刃邊距和織構(gòu)槽寬的增大而減小，使刀-屑實(shí)際接觸面積最小的織構(gòu)參數(shù)組合為：織構(gòu)槽寬為55 μm，織構(gòu)槽深為30 μm，織構(gòu)間距為35 μm，織構(gòu)刃邊距為80 μm。在切削過程中，當(dāng)其他參數(shù)不變時，織構(gòu)槽寬的增大使織構(gòu)刀具前刀面與切屑的實(shí)際接觸面積減小，也就是刀-屑實(shí)際接觸面積隨織構(gòu)槽寬的增大而減小。仿真結(jié)果表明，有織構(gòu)刀具切削產(chǎn)生的切屑較之無織構(gòu)刀具更加卷曲，織構(gòu)刀具的刃邊距越大，切屑的卷曲度越大，切屑與刀具前刀面越易分離，刀-屑實(shí)際接觸面積也就越小。

3.2 切削力

切削力的信噪比主效應(yīng)圖如圖4所示。由圖4可以看出，對切削力影響最大的織構(gòu)參數(shù)是織構(gòu)槽寬，其次是織構(gòu)刃邊距，然后是織構(gòu)間距，織構(gòu)槽深的影響最小。切削力分別隨織構(gòu)槽寬、織構(gòu)槽深、織構(gòu)間距和織構(gòu)刃邊距的增大先減小后增大，使切削力最小的織構(gòu)參數(shù)組合為：織構(gòu)槽寬為35 μm，織構(gòu)槽深為40 μm，織構(gòu)間距為35 μm，織構(gòu)刃邊距為60 μm。

圖4　切削力的信噪比主效應(yīng)圖

在切削過程中，切削力[17]可表示為：

3.3 切削溫度

切削溫度的信噪比主效應(yīng)圖如圖5所示。從圖5可以看出，對切削溫度影響最大的因素為織構(gòu)槽寬，其次是織構(gòu)刃邊距，再者為織構(gòu)間距，織構(gòu)槽深的影響最?。磺邢鳒囟认入S織構(gòu)槽寬的增大而減小，當(dāng)織構(gòu)槽寬大于35 μm時切削溫度隨織構(gòu)槽寬的增大而增大；織構(gòu)刃邊距和織構(gòu)間距的增大導(dǎo)致切削溫度先減小后增大，而切削溫度隨織構(gòu)槽深的變化不大。使切削溫度最小的組合為：織構(gòu)槽寬為35 μm，織構(gòu)槽深為20 μm，織構(gòu)間距為35 μm，織構(gòu)刃邊距為60 μm。

圖5　切削溫度的信噪比主效應(yīng)圖

3.4 最優(yōu)組合的預(yù)測與驗證

通過計算得出最優(yōu)組合的預(yù)測值，并利用最優(yōu)組合的參數(shù)進(jìn)行切削試驗，對所得的預(yù)測值和實(shí)測值進(jìn)行匯總，結(jié)果見表6。同時，計算了預(yù)測值與實(shí)測值的相對誤差，結(jié)果可知均不大于3.0%，驗證了田口法優(yōu)化參數(shù)的有效性。在相同切削條件下對無織構(gòu)刀具進(jìn)行切削實(shí)驗的結(jié)果為：切削力為230.651 N，切削溫度332.418 ℃。對比可知，選用最優(yōu)組合織構(gòu)參數(shù)的微織構(gòu)PCBN刀具可使切削力降低5.7%，切削溫度降低3.9%。

表6　最優(yōu)組合的預(yù)測值和實(shí)測值

4 結(jié) 論

通過建立有/無微織構(gòu)的PCBN刀具切削Cr12MoV的有限元模型，利用田口法進(jìn)行正交試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

（1）刀-屑實(shí)際接觸面積主要受織構(gòu)刃邊距和織構(gòu)槽寬的影響，而微織構(gòu)PCBN刀具的切削力和切削溫度隨刀-屑實(shí)際接觸面積減小而降低。

（2）對切削力和切削溫度進(jìn)行望小信噪比分析可知，切削力和切削溫度的變化趨勢均隨著織構(gòu)槽寬、織構(gòu)刃邊距的增大先減小后增大。

（3）在所選試驗參數(shù)范圍內(nèi)，經(jīng)驗證獲得最小切削力和切削溫度的最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)組合為：織構(gòu)槽寬為35 μm，織構(gòu)槽深為40 μm，織構(gòu)間距為35 μm，織構(gòu)刃邊距為60 μm。

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Optimization of Texture Parameters of Micro-Textured PCBN Tool Based on Taguchi Method

Fan Lin， Deng Zilong， Gao Xingjun， Wei Zhengyi

（School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China）

Finite element analysis software ABAQUS was used to study the process of micro texture PCBN tool turning Cr12MoV, Taguchi method was used to carry out orthogonal experimental design. The variation law of the actual contact area between tool and chip, cutting force and cutting temperature with texture parameters was studied by signal-to-noise ratio analysis method, and the optimal combination of texture parameters was obtained. The results indicate that the actual tool-chip contact area decreases with the increase of texture groove width and texture edge pitch respectively. Texture groove width and texture edge pitch have the most significant influence on cutting performance of the tool; Compared with the non-textured tool, the micro-textured PCBN tool with the optimal texture parameter combination can reduce the cutting force by 5.2% and the cutting temperature by 4.7%.

PCBN；Texture parameters； Taguchi method

TH164

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.012

1672-6952（2021）04-0071-07

http：//journal.lnpu.edu.cn

2020-09-01

2020-10-15

遼寧省教育廳項目（L2017LQN024）。

凡林（1989-），女，碩士，從事機(jī)械制造及其自動化方面的研究；E-mail：979315926@qq.com。

鄧子龍（1967-），男，碩士，教授，從事機(jī)械制造及其自動化方面的研究；E-mail：dzl56801@sina.com。

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（編輯 宋錦玉）