車刀雙倒棱結(jié)構(gòu)切削效應(yīng)的仿真分析*

魏子洋 石廣豐 史國權(quán)② 李俊燁 張景然 李 鶴

(①長春理工大學(xué)金剛石工具技術(shù)聯(lián)合研究中心,吉林 長春 130012；②中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，北京 100045)

為避免切削加工時刀片破損和脆性斷裂，倒棱強化成為刃口強化的重要手段之一，即在靠近刃口的前刀面上刃磨出一定角度和寬度組合的負(fù)前角棱邊。負(fù)倒棱處理會增大刀尖處的刃口強度、耐磨性和散熱能力，但同時刃口結(jié)構(gòu)也會對切削力的分布產(chǎn)生較大影響[1]。因此，合理設(shè)計刃口倒棱結(jié)構(gòu)，如可以考慮磨出雙倒棱結(jié)構(gòu)，減小切屑變形程度，減小切削過程中的切削力和切削溫度，從而為加工效率和質(zhì)量的提高以及刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考[2]。

本文擬通過Deform-3D的有限元仿真，提出雙倒棱PCD刀具刃口結(jié)構(gòu)研究車削Al-6061鋁合金時切削力和切削溫度的變化規(guī)律。針對切削鋁合金的刀具優(yōu)選，采用正交試驗方法進行試驗設(shè)計，利用有限元分析軟件對鋁合金三維車削過程進行仿真，以切削力和切削溫度為考察目標(biāo)，對刀具幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。通過分析仿真結(jié)果，為PCD刀具車削高強鋁合金工藝參數(shù)的優(yōu)選提供模型理論依據(jù)[3]。其中PCD 刀具具有高耐磨性、高彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)、非鐵金屬親和力小等優(yōu)點，在精密切削的領(lǐng)域越來越起到關(guān)鍵作用[4]。因此，研究 PCD 刀具加工鋁合金的切削加工性能，優(yōu)化切削加工參數(shù)，減少刀具磨損，充分發(fā)揮 PCD 刀具的切削性能，提高生產(chǎn)效率，降低成本，這對鋁硅合金加工生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用都具有重要的意義。

1 切削模型和本構(gòu)方程

1.1 切削幾何模型

有限元分析過程中幾何模型是對分析對象形狀和尺寸的簡化描述，它是根據(jù)對象的實際形狀抽象出來的。切削加工的有限元模擬中，常把模型簡化為正交切削模型[5]。對于目前應(yīng)用比較廣泛的倒棱刀具，由于倒棱的存在會加劇切屑變形程度，可以考慮在此基礎(chǔ)上再磨出一段很小的倒棱減小切屑的變形，如圖1、圖2所示。

1.2 本構(gòu)方程

材料的本構(gòu)方程也稱為流動應(yīng)力方程，采用應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式表達，本構(gòu)方程的選擇直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。考慮切削過程刃口附近的金屬材料具有的高溫度、高應(yīng)變率和大應(yīng)變特征，在加工過程有限元仿真中采用 Johnson-Cook 模型最為理想[6]。該模型能夠反映出材料在劇烈變形中的彈塑性力學(xué)性能。該材料本構(gòu)模型的具體數(shù)學(xué)形式，如式 (1)。

(1)

其中:σ為等效應(yīng)力;A為材料屈服強度;B為應(yīng)變硬化參數(shù);n為硬化指標(biāo);ε為等效塑性應(yīng)變;C為應(yīng)變率強化參數(shù)，為等效塑性應(yīng)變率;ε0為材料的參考應(yīng)變率;m為熱軟化參數(shù);Tm為材料熔點;Tr為參考溫度。

2 有限元仿真試驗

2.1 建立切削模型

本文采用的是DEFORM-3D有限元仿真軟件。工件尺寸為長10 mm，寬1 mm，高2 mm，刀具尺寸為長1 mm，高2 mm，寬1.6 mm，前角7°，后角10°；刀具屬性設(shè)為剛性(rigid)，工件為塑性體，分別對刀具和工件進行網(wǎng)格劃分，其中刀具網(wǎng)格數(shù)為30 000，工件網(wǎng)格數(shù)為50 000，并對刀尖位置和工件靠近切削區(qū)域進行網(wǎng)格細(xì)化。切削深度0.3 mm，進給量0.1 mm/r，切削速度200 m/min；摩擦類型設(shè)為剪切摩擦，摩擦系數(shù)為0.6；熱傳導(dǎo)系數(shù)為154 W/(m·k)；選取能表征連續(xù)切削的‘Usui’模型作為磨損模型，其中參數(shù)a=1×e-5，b=1 000。其中三維正交切削模型圖如圖3。

2.2 材料力學(xué)物理性能

刀具材料選擇PCD刀具，工件材料選擇Al6061鋁合金，由于兩種材料物理性能參數(shù)在仿真軟件中直接給出，這里只設(shè)定熱導(dǎo)率參數(shù)即可，查工程材料屬性表可知Al6061鋁合金熱導(dǎo)率為154 W/(m·k)，PCD刀具熱導(dǎo)率為700 W/(m·k)。

刀具參數(shù)如表1所示。其中由于前角為7°，為方便比較，則第二段倒棱角度為7°時即是最初的單一定值倒棱結(jié)構(gòu)

表1 刀尖結(jié)構(gòu)與參數(shù)

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 正交仿真試驗結(jié)果

表2 正交試驗仿真結(jié)果表

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 第二段倒棱參數(shù)對切削力的影響

因為切削模型為正交模型，故Fz方向上的力基本不會發(fā)生變化，這里只作出不同的第二段倒棱寬度下，第二段倒棱角度改變對于切削力Fx和Fy影響的圖像，如圖5。

由圖5a可知，當(dāng)?shù)诙蔚估鈱挾葹?.1 mm時，雙倒棱刀具切削力比單一定值倒棱刀具切削力有所下降。這是因為刀具倒棱處使得切屑發(fā)生側(cè)向彎曲，切屑變形程度增大，而在原有倒棱基礎(chǔ)上做出第二段倒棱，由于第二段倒棱角度比第一段倒棱角度小很多，減小了切屑側(cè)向彎曲程度，切屑變形程度減小，切削力隨之變小，由于第二段倒棱寬度較小，因此切削力在-10°～0°變化不大。

由圖5b可知，當(dāng)?shù)诙蔚估鈱挾葹?.15 mm時，切削力在-10°～0°呈先減小后增大的趨勢。這是因為第二段倒棱角度在-10°～-5°時，切屑較第一段倒棱彎曲程度減小，切削力減??；當(dāng)?shù)诙蔚估饨嵌仍?5～0°時，越趨向0°，前刀面與第二段倒棱相交的位置便有越多的單元切屑發(fā)生側(cè)向彎曲，此處切削力隨之增大。

由圖5c可知，當(dāng)?shù)诙蔚估鈱挾葹?.2 mm時，切削力在0°時與7°時非常接近。這是因為此時，由于第二段倒棱寬度足夠大，單元切屑經(jīng)過兩段倒棱相交位置時彎曲程度減小，切屑變形程度減?。粏卧行冀?jīng)過第二段倒棱與前刀面相交位置時彎曲程度增大，切屑變形程度增大。所以在這兩處的切削合力方向相反，且整體切屑變形程度由于先減小后增大使得兩個位置切削力的數(shù)值變化不大，即兩處的切削合力幾乎等大反向，從而相互抵消，所以切削力在0°時與7°時非常接近。

3.2.2 第二段倒棱參數(shù)對切削溫度的影響

作出不同的第二段倒棱寬度下，第二段倒棱角度改變對于切削溫度影響的圖像，如圖6。

由圖6a可知，當(dāng)?shù)诙蔚估鈱挾葹?.1 mm時，隨著第二段倒棱角度(絕對值)的減小，切削溫度相比于單一定值倒棱有所減小，但是變化程度不大。這是因為相對于單一定值倒棱刀具，雙倒棱刀具的第二段倒棱處刀屑接觸面積增大，產(chǎn)生的切削熱可以順利排出，切削溫度降低，而第二段倒棱寬度很小，所以切削溫度降低很小[7]。

由圖6b、c可知，當(dāng)?shù)诙蔚估鈱挾群艽髸r，隨著第二段倒棱角度(絕對值)的減少，切削溫度呈遞增趨勢，并且寬度越大遞增趨勢越明顯。這是因為隨著第二段倒棱寬度的增加，切削變形區(qū)的材料變形程度比單一定值倒棱刀具切削時明顯減小，刀屑接觸長度增加，切屑與前刀面由于摩擦產(chǎn)生的熱量增加，導(dǎo)致溫度升高。

4 結(jié)語

本文建立了車刀雙倒棱結(jié)構(gòu)切削鋁合金的三維正交切削模型，利用該有限元模型對不同倒棱刀具的切削情況進行了模擬，得到了不同情況下切削力和切削溫度的變化情況。模擬結(jié)果表明對比單一定值倒棱，雙倒棱刀具在相同條件下切削力和切削溫度明顯減小，且在第二段倒棱寬度一定的條件下，第二段倒棱角度在-10°～0°的區(qū)間內(nèi)，切削力先減小后增大，切削溫度整體呈遞增趨勢。