微織構刀具切削性能及減摩效果的仿真分析

劉偉，劉順，梁桂強，袁厚才

微織構刀具切削性能及減摩效果的仿真分析

劉偉1，劉順1，梁桂強2，袁厚才1

（1.湖南科技大學 難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南領航科創(chuàng)教育科技有限公司，湖南 湘潭 411100）

研究3種不同類型微織構在鈦合金（TC4）切削過程中對刀具切削性能的影響?；谟邢拊治鲕浖谟操|合金刀具的前刀面上設計半圓凹型微織構、半圓凸型微織構以及梯形槽微織構3種不同類型的微織構，通過改變微織構直徑或寬度、微織構間距和微織構覆蓋長度，研究微織構刀具對背向力、切削溫度以及摩擦力的影響。對背向力而言，半圓凹型微織構刀具、半圓凸型微織構刀具、梯型槽微織構刀具在最佳微織構參數(shù)下可分別降低14.0%、13.9%、18.6%；但半圓凸型微織構直徑大于8 μm時，背向力超過了無織構刀具。對切削溫度而言，3種微織構刀具在最佳微織構參數(shù)下可分別降低5.9%、10.7%、9.6%。對刀具所受摩擦力而言，3種微織構刀具在最佳微織構參數(shù)下可分別降低23.0%、27.7%、21.9%。合理的表面微織構能夠改善刀具的切削性能。梯型槽微織構刀具降低背向力效果最佳；半圓凸型微織構刀具降溫和減摩效果最佳。刀具切削性能隨微織構直徑和微織構間距的增加呈先減小后增大的趨勢，且存在最優(yōu)的微織構參數(shù)。在刀-屑接觸長度范圍內，微織構覆蓋長度越長，減摩效果越好。

微織構；有限元仿真；鈦合金；背向力；切削溫度；減摩特性

隨著仿生學的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)某些動植物表面具有微小的紋理結構，這些表面微結構具有摩擦因數(shù)低、潤滑性良好等特點[1]。刀具表面微織構是指參照仿生學原理，在刀具表面加工出尺寸為微米級的凹坑、凹槽、凸包、橢圓、圓形以及魚鱗狀等結構，可以提升刀具的切削性能以及摩擦特性[2]。采用激光、電火花等工藝將刀具參與切削的表面制成一定的微織構，有助于提高刀具的潤滑性能，減緩刀具磨損[3-6]。

國內外學者對微織構刀具切削性能做了大量實驗研究。楊立軍等[4]應用飛秒激光技術在硬質合金車刀前刀面加工出平行凹槽紋理和垂直凹槽紋理，并研究了2種微紋理對切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)具有特定尺寸參數(shù)的平行凹槽可以顯著地提高切削性能，有利于主切削力、摩擦因數(shù)的改善。劉鑫等[5]用微織構拉刀和常規(guī)拉刀進行了干法拉削實驗，微織構拉刀能有效降低拉削力，極大提高工件表面質量。Devaraj等[6]用具有微織構的車刀對金屬基復合材料進行了加工，結果表明微織構能夠有效保留潤滑劑，從而提高潤滑效果，使表面粗糙度降低，切削功耗減小。Pratap等[7]采用微電放電加工工藝在多晶金剛石（PCD）磨刀的端面加工出微織構，使刀具磨削區(qū)域上的切屑粘附和磨損明顯減少。Rajbongshi等[8]比較了點紋織構、溝槽織構和無織構涂層硬質合金刀具的切削性能，其中織構刀能夠有效減少刀具側翼磨損，點紋織構刀具具有更好的耐磨性。

復雜刀具制造困難，試驗周期長，且微織構加工成本較高，故許多研究人員采用有限元模擬方法來研究微織構刀具的性能。Ma等[9]利用有限元軟件模擬了微槽寬度、邊緣距離和寬深比3種織構參數(shù)對鈦合金三維車削時主切削力和切屑形態(tài)的影響，得到了主切削力最小的織構參數(shù)范圍。王曉明等[10]設計了等間距、不等間距以及混合型3種微織構刀具模型，進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)3種織構刀具能夠減小前刀面溫度、降低主切削力，微織構間距分布對刀具減摩效果有一定影響。Arulkirubakaran等[11]利用有限元仿真研究了交叉紋理微織構、平行紋理微織構以及垂直紋理微織構刀具切削性能，其中垂直紋理微織構刀具的切削性能最佳，切屑更易卷曲。Kang等[12]采用有限元方法研究了不同幾何形狀的微織構鉆頭在高溫合金加工中的性能，織構刀具最高溫度可降低4.6%～8.9%，切削力可下降12.3%～ 32.1%，增加微織構的寬度可避免二次切削現(xiàn)象。

對于微織構刀具仿真研究，多數(shù)學者研究了同一織構在特定參數(shù)下的微織構分布，對于不同微織構類型在同一系列參數(shù)下的研究較少。為此設計了3種不同類型的硬質合金微織構刀具，在同一裝配模型、相同切削參數(shù)下，進行有限元分析對比，從背向力、切削溫度、減摩效果等方面研究了微織構刀具的不同織構參數(shù)對鈦合金的切削加工性能的影響，為制備微織構刀具提供理論依據(jù)。

1 有限元仿真模型及微織構刀具設計

1.1 幾何模型的建立

設置刀具前角=3°，后角=13°，刀尖鈍圓半徑=0.01 mm，如圖1所示。為減小有限元模型計算規(guī)模，取工件尺寸為0.8 mm×0.4 mm，如圖2所示，限制工件的6個自由度，使底面完全固定；工件網(wǎng)格采用四面體（Quard）單元，網(wǎng)格上密下疏，上半部分切削區(qū)域網(wǎng)格尺寸為4 μm。刀具限制5個自由度，按設定速度進行切削；刀具網(wǎng)格采用三角形（Tri）單元，刀尖及前后刀面網(wǎng)格密，刀尖網(wǎng)格大小為4 μm，由刀尖過渡到刀體的網(wǎng)格漸疏，織構刀具前刀面織構部分進行網(wǎng)格密化，網(wǎng)格大小為2 μm。

圖1 刀具模型尺寸

圖2 有限元模型

1.2 材料本構模型的設定

Johnson-Cook模型認為材料在高應變速率下表現(xiàn)為應變硬化、應變速率硬化和熱軟化效應，其本構方程為[13]：

刀具材料為硬質合金，其主要力學性能見表1。工件材料為鈦合金TC4，選用Johnson-Cook本構模型。鈦合金TC4的Johnson-Cook本構模型參數(shù)設置見表2[13]。

1.3 切屑分離準則的設定

在切削仿真過程中，需根據(jù)材料屬性設定切屑分離準則，以便材料的去除。對于金屬材料采用Johnson-Cook剪切失效準則，失效參數(shù)的定義為：

表1 硬質合金刀具物理及力學性能

Tab.1 Physical and mechanical properties of hard alloy tool

表2 工件(TC4)的Johnson-Cook本構模型參數(shù)

Tab.2 Parameters of Johnson-Cook constitutive model of workpiece TC4

表3 工件(TC4)的Johnson-Cook剪切失效模型參數(shù)

Tab.3 Parameters of Johnson-Cook shear failure model of workpiece TC4

1.4 微織構刀具設計

以無織構刀具（T0）為對照組，設計了3種微織構刀具，分別為半圓凹型微織構刀具（T1）、半圓凸型微織構刀具（T2）和梯型槽微織構刀具（T3）。在切削速度為1000 mm/s、切削深度為0.1 mm、摩擦因數(shù)為0.2的工況下進行有限元仿真，從背向力、切削溫度和摩擦力等方面探討3種微織構的不同參數(shù)組合對刀具切削性能的影響。刀具織構類型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，仿真模型刀具參數(shù)設置見表4。

圖3 微織構刀具結構及其網(wǎng)格劃分

表4 仿真模型刀具參數(shù)

Tab.4 Tool parameters of simulation model

2 有限元仿真結果與分析

2.1 不同微織構刀具對背向力的影響

切削力示意圖如圖4所示，c為沿切削速度方向的主切削力，p為背向力，為兩者的合力。通過圖像處理軟件Origin進行濾波以及平滑處理后的主切削力和背向力隨時間變化曲線如圖5a和5b所示。鈦合金切屑形態(tài)呈明顯的鋸齒狀，切削力也隨之發(fā)生波動，與文獻[14]的實驗結果吻合。其中主切削力較大，但各刀具間主切削力差距不明顯，故取穩(wěn)定切削階段（0.002～0.006 s）的背向力進行研究分析。

圖4 切削力示意

圖6為3種不同微織構刀具在不同微織構直徑/寬度、微織構間距以及微織構覆蓋長度時的背向力仿真結果對比。圖6a為微織構間距為20 μm，覆蓋長度為300 μm時背向力隨微織構直徑/寬度變化的仿真結果。對半圓凹型微織構和梯型槽微織構而言，微織構直徑/寬度=6 μm時2種刀具背向力最小，當微織構直徑從6 μm增加到12 μm時背向力逐漸增大，但仍低于無織構刀具，最佳微織構直徑為4～8 μm。對半圓凸型微織構而言，隨著微織構直徑的變化，其趨勢與半圓凹型和梯型槽微織構大致相同，均為先減小后增大，但當半圓凸型微織構刀具微織構直徑大于8 μm時，背向力超過了無織構刀具。圖6b為微織構直徑/寬度為8 μm，覆蓋長度為300 μm時背向力隨微織構間距變化的仿真結果。隨著微織構直徑/寬度以及微織構間距的增加，3種微織構刀具背向力均先減小后增大，但半圓凸型微織構減小背向力的效果不佳。對比圖6a可知，相對于微織構直徑/寬度對背向力的影響，微織構間距對背向力的影響幅度較小。圖6c為微織構直徑/寬度為8 μm，間距為20 μm時背向力隨微織構覆蓋長度變化的仿真結果。隨著微織構覆蓋長度的增加，半圓凹型微織構和梯形微織構刀具的背向力逐漸減小，微織構覆蓋長度進一步增加，背向力降低的幅度逐漸減?。欢雸A凸型微織構刀具隨著微織構覆蓋長度的增加先減小后增大。

總體而言，3種微織構刀具在合理的織構尺寸下均有降低背向力的作用。半圓凸型微織構結構設計不合理時易導致背向力過大，這是由于半圓凸型微織構刀具的微凸起使二次切削作用[12]加劇，背向力增大；因此實際加工時，半圓凸型微織構的織構尺寸不宜過大。與無織構刀具相比，半圓凹型織構刀具B2的最大背向力可降低14.0%，梯型槽微織構刀具D3的最大背向力可降低18.6%；梯形槽微織構刀具降低背向力的效果最佳，半圓凹型微織構刀具次之。

圖5 切削力隨時間變化曲線

圖6 背向力仿真結果對比

2.2 不同微織構刀具對切削溫度的影響

對表4中各組不同類型及尺寸的模型進行仿真計算，得到刀具切削過程的溫度云圖。圖7為無織構刀具T0、半圓凹型微織構刀具B3、半圓凸型微織構刀具C3和梯型槽微織構刀具D3穩(wěn)定切削時刻的溫度云圖?？梢钥闯龅毒咦罡邷囟染霈F(xiàn)在刀尖附近，微織構對刀具溫度分布影響不大，溫度梯度均呈圓弧狀向外發(fā)散，但在一定程度上降低了切削溫度。如圖7a所示，標記了刀具刀尖高溫區(qū)的3個節(jié)點，分別提取穩(wěn)定切削時刻各刀具刀尖3點溫度并取平均值進行對比分析，切削溫度仿真結果如圖8所示。

隨著微織構直徑/寬度以及微織構間距的增加，3種微織構刀具溫度均呈先減小后增加的趨勢，其中半圓凹型微織構刀具切削溫度的變化幅度很小，降溫效果較差；隨著微織構覆蓋長度的增加，切削溫度逐漸減小，當微織構覆蓋長度增加到一定程度后趨于平緩。與無織構刀具相比，半圓凹型微織構刀具最高溫度可降低5.9%，半圓凸型微織構刀具最高溫度可降低10.7%，梯型槽微織構刀具的最高溫度可降低9.6%，半圓凸型織構和梯形槽微織構刀具的散熱效果相對明顯。由于微凹槽及微凸起的存在，減小了刀-屑接觸面積，同時也減少了工件與刀具的熱傳導；微織構與切屑之間間隙的存在提供了更多的散熱空間，提高了對流散熱效果。此外，圖6表明合理的微織構能夠有效減少背向力，故切削過程中消耗的能量較少，這也可以減少熱量的產(chǎn)生，這些因素共同導致了切削溫度的降低。合理的微織構能夠有效降低切削溫度，降溫效果依次為：半圓凸型微織構刀具＞梯型槽微織構刀具>半圓凹型微織構刀具。

2.3 不同微織構刀具對摩擦力的影響

鈦合金切削時易發(fā)生粘刀現(xiàn)象，加劇磨損，合理微織構的存在能夠減小刀具磨損，提高刀具使用壽命[3]。現(xiàn)對仿真過程刀-屑摩擦力進行分析，研究不同微織構分布對刀具減摩效果的影響，仿真結果如圖9所示。

刀-屑間摩擦力隨微織構直徑/寬度的變化如圖9a所示。從仿真結果可知，3種微織構刀具摩擦力隨微織構直徑/寬度的變化趨勢相似，均呈先減小后增加的趨勢。微織構刀具所受摩擦力均小于無織構刀具，這意味著在此范圍內的微織構對減小摩擦力是有效的，3種微織構刀具均存在最佳微織構直徑/寬度。刀-屑間摩擦力隨織間距的變化如圖9b所示。隨著微織構間距的增加，半圓凹型微織構刀具所受摩擦力略有波動，大致呈增加的趨勢，半圓凸型微織構刀具和梯型槽微織構刀具所受摩擦力先減小后增加；對半圓凹型微織構刀具而言，微織構間距為10 μm時摩擦力最小，對半圓凸型微織構刀具而言，微織構間距為20 μm時摩擦力最小，對半圓梯型槽微織構刀具而言，微織構間距為15 μm時摩擦力最小，由曲線變化趨勢可以推測3種微織構刀具均存在最優(yōu)的織構間距，這將顯著降低刀具所受摩擦力，提高刀具壽命。刀-屑間摩擦力隨微織構覆蓋長度的變化如圖9c所示。隨著微織構覆蓋長度的增加，刀具所受摩擦力逐漸減小。微織構覆蓋長度從0增大到200 μm左右時，摩擦力降低效果明顯；圖10為半圓凹形微織構覆蓋長度為200 μm（刀具B11）以及微織構覆蓋長度為300 μm（刀具B3）在穩(wěn)定切削時刻的切屑形態(tài)示意圖，當微織構覆蓋長度進一步增加時，由于切屑的卷曲，刀具前刀面與切屑的接觸長度不再增加，故摩擦力無明顯變化。與無織構刀具相比，3種微織構刀具皆能有效減小摩擦力以及刀具磨損，半圓凹型微織構刀具B6的摩擦力降低了23.0%，半圓凸型微織構刀具C12的摩擦力降低了27.7%，梯型槽微織構刀具D4的摩擦力降低21.9%，故半圓凸型微織構刀具減摩效果最佳。

圖7 刀具溫度分布云圖

圖8 切削溫度仿真結果對比

圖9 摩擦力仿真結果對比

為探究微織構刀具減摩效果與刀-屑接觸面積的關系，對3種微織構各自減摩效果最佳的刀具B6、C12、D4切削過程中的刀-屑接觸面積與無織構刀具T0進行對比，圖11為4種刀具刀-屑接觸面積仿真結果。3種刀具的刀-屑接觸面積均比無織構刀具小，半圓凸型微織構刀具C12刀-屑接觸面積最小，半圓凹型微織構刀具B6次之，梯型槽微織構刀具D4最大?？梢哉J為摩擦力大小與刀-屑接觸面積成正比，因此減小刀-屑接觸面積有利于提高微織構刀具的減摩效果。

圖10 切屑形態(tài)

圖11 刀-屑接觸面積

Fig.11Knife-chip contact area

3 結論

通過創(chuàng)建不同微織構類型的刀具并進行鈦合金切削仿真計算，得到如下結論。

1）與無織構刀具的切削仿真過程進行對比，發(fā)現(xiàn)半圓凹型微織構和梯形槽微織構刀具降低背向力效果較好，半圓凹型微織構刀具最大背向力可降低14.0%，梯型槽微織構刀具最大背向力可降低18.6%，當半圓凸型微織構刀具的微織構直徑大于8 μm時，二次切削作用超過了微織構降低背向力作用，使背向力超過了無織構刀具。

2）微織構刀具能夠有效降低切削溫度，降溫效果是由刀-屑接觸面積、能耗等多種因素共同影響，3種微織構刀具散熱效果依次為：半圓凸型微織構刀具＞梯型槽微織構刀具＞半圓凹型微織構刀具。

3）微織構刀具的減摩效果與刀-屑接觸面積成正比，3種微織構刀具均能減小摩擦力，半圓凸型微織構刀具減摩效果最佳，刀具所受摩擦力可減小27.7%。

4）綜合切削力、切削溫度及減摩效果來看，當半圓凸型微織構的織構直徑為4～8 μm時，其切削性能最佳。

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Finite Element Analysis on Cutting Performance and Friction Reduction Effect of Micro-Texture Tools

1,1,2,1

(1. Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Hunan Linghang Kechuang Education Science & Technology Company, Xiangtan 411100, China)

The work aims to study the effects of three different types of micro-textures on cutting performance of titanium alloy (TC4). Based on the finite element analysis software, the semicircular concave micro-texture, semicircular convex micro-texture and trapezoidal groove micro-texture were designed on the rake face of cemented carbide tool. The effects of micro-texture tool on radial thrust force, cutting temperature and friction force were studied by changing the micro-texture parameters, such as diameter or width, micro-texture spacing and covering length. Under the best micro-texture parameters, the radial thrust force of the semicircular concave micro-texture tool, semicircular convex micro-texture tool, and trapezoidal groove micro-texture tool was respectively reduced by 14.0%, 13.9%, and 18.6%. However, when the diameter of convex micro-texture was larger than 8 μm, the radial thrust force was greater than that of non-textured tool. The cutting temperature of three micro-texture tools was respectively reduced by 5.9%, 10.7% and 9.6%. The friction force of the three micro-texture tools was respectively reduced by 23.0%, 27.7% and 21.9%. Reasonable surface texture can improve the cutting performance of the tool. Trapezoidal groove micro-texture tool has the best effect of reducing radial thrust force. The semicircular convex micro-texture tool has the best effect of reducing cutting temperature and friction. With the increase of micro-texture diameter and spacing, the cutting performance of tools decreases firstly and then increases. And there are optimal texture parameters. In the range of the tool-chip contact length, the longer the textured covering length, the better the antifriction capability of micro-texture tool.

micro-texture; finite element simulation; titanium alloy; radial thrust force; cutting temperature; frictional characteristics

TG71

A

1001-3660(2022)02-0338-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.034

2021-05-02；

2021-07-21

2021-05-02；

2021-07-21

湖南省自然科學基金（2020JJ5178）；湖南省教育廳科學研究資助（20A202，18A182）；湖南省電磁裝備設計與制造重點實驗室開放基金（DC201901）

Supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (2020JJ5178); Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (20A202, 18A182); the Open Foundation of Hunan Key Laboratory of Design and Manufacture of Electromagnetic Equipment (DC201901)

劉偉（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向為難加工材料高效精密智能磨削。

LIU Wei (1986—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: high efficiency, precision and intelligent grinding of difficult- to-cut materials.

劉偉, 劉順, 梁桂強, 等. 微織構刀具切削性能及減摩效果的仿真分析[J]. 表面技術, 2022, 51(2): 338-346.

LIU Wei, LIU Shun, LIANG Gui-qiang, et al. Finite Element Analysis on Cutting Performance and Friction Reduction Effect of Micro-texture Tools[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 338-346.