基于RSM的YT15微織構(gòu)刀具干式切削研究

李海峽，趙慶軍，賴小林，龍港，陳云，夏亞旗，2

1森泰英格數(shù)控刀具股份有限公司；2燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越被關(guān)注。傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)在帶來(lái)巨大生活便利的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了較大污染。干式切削作為一種較新的工藝技術(shù)，是一種清潔加工方式，與濕式加工相比，干式切削不需要危害環(huán)境且成本高昂的各類切削液，大大縮減了各類產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。由于干式切削在切削過(guò)程中刀具承受負(fù)荷大以及存在熱源強(qiáng)、溫度高等明顯不足之處[1]，因此，減小干式切削中刀具所受載荷、加快刀具散熱有著非常重要的研究意義。

表面織構(gòu)是一種新穎的可持續(xù)制造方法，通過(guò)改變刀具表面結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型機(jī)械加工[2]。通過(guò)在刀具表面加工出具有一定規(guī)律的圓形或矩形槽，影響其摩擦、黏附性以及濕潤(rùn)性等性能，并可減少刀具和切屑的接觸面積，從而達(dá)到加快散熱和減小切削力的目的。陶亮等[3]通過(guò)對(duì)比分析有無(wú)微織構(gòu)的合金刀具切削鈦合金材料發(fā)現(xiàn)，帶有微織構(gòu)的刀具在切削力、切削溫度及磨損方面均有所改善；楊樹(shù)財(cái)?shù)萚4]在球頭銑刀上添加微織構(gòu)組織來(lái)銑削鈦合金，根據(jù)微織構(gòu)刀具磨損得出微織構(gòu)可極大減小表面摩擦和降低磨損。不同微織構(gòu)在散熱及降低切削力方面的作用和程度也不同，D.Arulkirubakaran等[5]分別建立了平行和垂直于切屑流動(dòng)方向的溝槽型微織構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)比切削力及溫度等因素，得出織構(gòu)方向垂直于切屑流動(dòng)的刀具可以更好改善切削性能的結(jié)論；陳碧沖等[6]通過(guò)正交試驗(yàn)驗(yàn)證了微織構(gòu)的形狀、深度及間距等對(duì)改善刀具切削性能的不同影響。

利用Deform-3D軟件仿真分析YT15微織構(gòu)刀具高速干式切削45鋼的過(guò)程，將微織構(gòu)間距、寬度、與切削刃所成角度及深度作為影響因素，基于曲面響應(yīng)法進(jìn)行顯著性試驗(yàn)，分析上述因素對(duì)切削過(guò)程中刀片最高溫度、承受載荷及刀片磨損的影響程度，并對(duì)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更低的切削溫度及切削力。

2 建立有限元仿真模型

YT15是一種鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金，具有高耐磨性和高硬度，是常用的刀具材料。試驗(yàn)選用YT15材質(zhì)的CC..1204008刀片(見(jiàn)圖1)。

為探究前刀面上有不同規(guī)模微織構(gòu)的刀具在切削45鋼過(guò)程中的不同切削性能，進(jìn)而優(yōu)化織構(gòu)參數(shù)，提升刀具性能，需要選出影響刀具切削性能的織構(gòu)因素。由文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]可知，矩形織構(gòu)的寬度、織構(gòu)間距、與切削刃所成角度以及織構(gòu)深度均對(duì)刀具切削性能有影響。為方便標(biāo)記，用w表示織構(gòu)寬度，用g表示織構(gòu)間距，用a表示角度，用d表示織構(gòu)深度(見(jiàn)圖2)。

圖1 試驗(yàn)用刀片 圖2 織構(gòu)因素構(gòu)成

綜合考慮四種因素對(duì)織構(gòu)的影響，利用Design-expert軟件設(shè)計(jì)出四因素三水平的試驗(yàn)表(見(jiàn)表1)。

表1 四因素三水平表

表2為選定因素水平之后得到的29組不同因素織構(gòu)刀具。

織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)完后，利用UG軟件建立對(duì)應(yīng)的刀具三維模型，因數(shù)量過(guò)多，本文僅選擇如圖3所示的四個(gè)代表性模型進(jìn)行分析。

表2 四因素三水平RSM試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖3 不同因素織構(gòu)刀具

在實(shí)際生產(chǎn)中，硬質(zhì)合金粗車(chē)45鋼應(yīng)用廣泛，且車(chē)削45鋼具有代表意義，因此選擇YT15材質(zhì)的CC系列刀片，工件材料選擇45鋼。為達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的目的，以實(shí)際生產(chǎn)所用切削用量作為仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，切削方案見(jiàn)表3。

表3 切削用量

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 切削力

切削力是衡量切削過(guò)程難易程度的指標(biāo)之一，也是評(píng)價(jià)刀具切削性能的重要參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，切削過(guò)程中切削力越小，刀具磨損越小，刀具壽命越長(zhǎng)。由圖4可知，無(wú)織構(gòu)刀具(0號(hào)試驗(yàn)組)平均主削力為3400N，其他試驗(yàn)組的切削力多有所下降，下降幅度在2%～20%不等，試驗(yàn)結(jié)果與眾多參考文獻(xiàn)描述一致[9]。原因是刀-屑接觸區(qū)域環(huán)境惡劣，工件切屑會(huì)堵塞微坑織構(gòu)，且接觸區(qū)域溫度較高，45鋼的線膨脹系數(shù)高于硬質(zhì)合金，因此，堵塞微坑的切屑會(huì)凸于YT15刀具表面，產(chǎn)生一定的減摩作用。

圖4 不同試驗(yàn)組切削力變化

3.2 切削溫度

切削溫度是反映切削過(guò)程中切削難易程度的另一個(gè)指標(biāo)，也是干式切削中需要著重改進(jìn)之處。切削溫度反映刀具與工件、切屑與刀具前刀面的摩擦力大小，其劇烈變化會(huì)加劇刀具的磨損及破損進(jìn)程，降低被加工工件的表面質(zhì)量，并且刀具使用壽命與前刀面或后刀面上的最大切削溫度也有密切聯(lián)系[10]。濕式切削中，切削液可以降低切削溫度，在前刀面添加織構(gòu)也可以有效降低切削溫度。如圖5b所示，無(wú)織構(gòu)刀具切削過(guò)程中，溫度集中在刀尖一塊區(qū)域，在持續(xù)高溫作用下會(huì)造成表面滲碳，即高溫下碳及碳化鎢向工件材料擴(kuò)散，而工件中的鐵元素則向硬質(zhì)合金中的鈷擴(kuò)散，硬質(zhì)合金的表層受到破壞變得脆而弱，容易被工件與切屑帶走，進(jìn)而導(dǎo)致刀具磨損。

圖5為無(wú)織構(gòu)刀具和織構(gòu)刀具在切削時(shí)的溫度對(duì)比，可見(jiàn)，織構(gòu)刀具溫度分布均勻，且最高溫度較低。如圖6所示，將刀尖最高溫度作為指標(biāo)，其中，1號(hào)試驗(yàn)組為無(wú)織構(gòu)刀具，最高溫度達(dá)到950℃，通過(guò)對(duì)比不同類型織構(gòu)刀具在切削過(guò)程中的最高溫度，可得到不同織構(gòu)因素對(duì)切削溫度的影響程度。

圖5 無(wú)織構(gòu)和織構(gòu)刀具的溫度對(duì)比

圖6 不同織構(gòu)刀具的溫度統(tǒng)計(jì)

(1)方差分析

以刀尖最高溫度作為響應(yīng)值，w，g，a，d作為響應(yīng)因子，通過(guò)回歸擬合得到四個(gè)因子對(duì)刀尖最高溫度影響的二次回歸全模擬方程為

T=681.4+60.33A+5B+61.58C-63.75D+18AB+
72.5AC+120.5AD-102.75BC-20.75BD-101.5CD
+47.72A2+67.72B2-111.66C2+44.59D2

(1)

表4為通過(guò)方差分析得到的刀尖最高溫度曲面響應(yīng)。

表4 最高溫度曲面響應(yīng)結(jié)果

注：*表示顯著

可知，該模型能很好地詮釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性。一次項(xiàng)、交互項(xiàng)對(duì)最高溫度的影響極其顯著，二次項(xiàng)對(duì)最高溫度的影響也較明顯。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)平方R2=0.9849，意味著98.49%的數(shù)據(jù)可以用該模型解釋，因此，在微織構(gòu)干式切削條件下模型誤差較小，擬合程度好，可用來(lái)分析及預(yù)測(cè)最高溫度變化，也可用此模型分析和預(yù)測(cè)上述因素對(duì)最高溫度的影響。此外，織構(gòu)的寬度A(P<0.05)、角度C(P<0.05)及深度D(P<0.05)對(duì)溫度均具有極顯著的影響，而織構(gòu)間距B(P<0.05)的影響并不顯著，說(shuō)明織構(gòu)間距對(duì)溫度影響不大。同理，交互項(xiàng)AC、AD、BC、CD均為影響顯著項(xiàng)。最高溫度擬合模型殘差分布情況見(jiàn)圖7，各殘差點(diǎn)的分布大都在一條直線上，表明擬合效果較好。

圖7 殘差分布

(2)響應(yīng)曲面分析

四個(gè)因素的交互影響見(jiàn)圖8。其中，圖8a為寬度和間距的交互影響圖，由方差分析可知，織構(gòu)間距對(duì)最終目標(biāo)的影響并不顯著，在間距不變的情況下，溫度隨著織構(gòu)寬度的增大先增加再減少再增加，表明存在一個(gè)合適的間距可使刀具溫度最低，由圖可以看出，當(dāng)寬度為60～70μm時(shí)，溫度值最??；圖8b為角度和寬度的交互影響圖，由方差分析可知，A和C均為較顯著影響因素，當(dāng)寬度不變時(shí)，角度在45°兩側(cè)增大或減小均會(huì)使溫度值減小，即當(dāng)織構(gòu)平行或垂直刃口時(shí)會(huì)使溫度降低；圖8c為深度和寬度的交互圖，可以看出，當(dāng)寬度不變時(shí)，適當(dāng)增加深度也可降低刀片溫度；圖8d印證了圖8b的結(jié)論，即平行或者垂直刃口的織構(gòu)降溫效果均比45°方向好；圖8e為間距與深度的交互作用，可以看出，間距的影響并不明顯；圖8f為角度與深度的交互圖，可以看到，存在一個(gè)合適的深度使溫度最低，即織構(gòu)深度為80～90μm時(shí)，刀尖溫度最低。

(a)織構(gòu)寬度與間距

(b)織構(gòu)寬度與角度

(c)織構(gòu)寬度與深度

(d)織構(gòu)間距與角度

(e)織構(gòu)深度與間距

(f)織構(gòu)深度與角度

綜上可以得出結(jié)論：①織構(gòu)在平行及垂直于刃口時(shí)，刀具溫度均有明顯降低，帶有一定角度的織構(gòu)刀具降溫效果反而不明顯；②當(dāng)織構(gòu)寬度為60～70μm時(shí)，刀具溫度可以取得最低值；③織構(gòu)深度存在一中間量，使得刀片溫度降到最低。

3.4 刀具磨損

刀具是車(chē)削加工過(guò)程中的重要一環(huán)，刀具磨損嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量和加工精度，使切削力增大和切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，不能繼續(xù)正常切削，且頻繁更換刀具會(huì)大幅降低生產(chǎn)效率，影響工件質(zhì)量和成本，因此，明確車(chē)削刀具在不同切削條件下的磨損對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工具有指導(dǎo)作用[11]。

取前刀面累積磨損為指標(biāo)，獲得29組仿真試驗(yàn)中各織構(gòu)刀片前刀面累計(jì)磨損量，觀察不同織構(gòu)因素對(duì)刀具磨損的影響。為便于在后處理中查看刀具磨損情況，使用Usui模型計(jì)算刀具磨損，可表示為

(2)

式中，W為磨損深度；依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，試驗(yàn)校正因子a，b分別取10-10和855；p為界面壓力；v為滑動(dòng)速度；T為絕對(duì)界面溫度。

圖9為有無(wú)織構(gòu)刀具在2000步時(shí)累積磨損量的對(duì)比?？梢?jiàn)，磨損區(qū)域明顯擴(kuò)大，且無(wú)聚集磨損現(xiàn)象，磨損深度下降了近50%，說(shuō)明織構(gòu)刀具能有效減小磨損。在仿真2000步時(shí)測(cè)量磨損量，得到各組磨損量(見(jiàn)圖10)。

(a)無(wú)織構(gòu)刀具

(b)第11組織構(gòu)刀具

圖10 各試驗(yàn)組累積磨損深度

如圖10所示，無(wú)織構(gòu)刀具切削完成后，刀具的累積磨損深度為7.35×10-7mm，帶有微織構(gòu)的刀具磨損深度均在此之下，且降低幅度在2%～50%。

(1)方差分析

以累積磨損深度為響應(yīng)值，w，g，a，d為響應(yīng)因子，通過(guò)回歸擬合，得到四個(gè)因子對(duì)刀具磨損影響的二次回歸全模擬方程為

MS=4.83-0.18A+0.72B-0.07C-1.46D
-0.08AB+0.48AC+0.06AD-0.12BC+0.31BD+0.85CD
+0.06A2-0.34B2-1.29C2+0.41D2

(3)

由表5可以看出，模型P值<0.05，說(shuō)明該模型項(xiàng)影響顯著，失擬項(xiàng)P值=0.019>0.05，說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著，證明模型擬合良好，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)于磨損來(lái)說(shuō)，一次項(xiàng)中的B和D影響顯著，A，C影響均不顯著；交互項(xiàng)中僅AC，CD顯著，其余均不顯著。該式的校正系數(shù)為0.9587，說(shuō)明在干式切削中影響磨損的因素有95.87%來(lái)自選定的四個(gè)因素。同時(shí)，由P值可得到各因素對(duì)累積磨損深度的影響程度依次為織構(gòu)深度>織構(gòu)間距>織構(gòu)寬度>織構(gòu)角度。

表5 磨損深度曲面響應(yīng)結(jié)果表

(2)響應(yīng)曲面分析

如圖11所示，在不同的織構(gòu)因素下，采用響應(yīng)曲面法對(duì)干式切削YT15刀具的累積磨損深度進(jìn)行二次多元回歸分析擬合，觀察織構(gòu)寬度、間距、角度及深度這四個(gè)因素的交互作用對(duì)累積磨損深度的影響程度及變化趨勢(shì)。響應(yīng)曲面在某個(gè)因素方向上的斜率越大，說(shuō)明該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著[12]。

(a)織構(gòu)寬度與間距

(b)織構(gòu)寬度與角度

(c)織構(gòu)寬度與深度

(d)織構(gòu)間距與角度

(e)織構(gòu)深度與間距

(f)織構(gòu)深度與角度

由圖11a可知，隨著織構(gòu)寬度變化，累積磨損深度無(wú)明顯變化，隨著織構(gòu)間距增大而減小。因此，為了得到較小的磨損深度，應(yīng)選擇較大的織構(gòu)間距。由圖11b可知，隨著織構(gòu)角度增加，磨損深度先增加后減小，這與織構(gòu)角度對(duì)刀尖最高溫度的影響趨勢(shì)相同；隨著織構(gòu)寬度增加，磨損有減小趨勢(shì)，因此，為了取得較小的磨損深度，應(yīng)選擇0°或90°的織構(gòu)。由圖11c可知，累積磨損深度隨織構(gòu)深度的增加而減小，隨織構(gòu)寬度的增加而減小，這與圖11a和圖11b顯示的趨勢(shì)相同，即在不同織構(gòu)深度下，織構(gòu)寬度變化引起刀具磨損深度變化的趨勢(shì)相同。

為獲得更小的磨損深度，應(yīng)采取較大寬度和較大深度的織構(gòu)方案。由圖11d可知，磨損深度隨角度和織構(gòu)間距的增加而先增加后減小，并在角度為45°及織構(gòu)間距為75μm時(shí)達(dá)到最大值，織構(gòu)間距可適當(dāng)選擇較大值，這樣可以帶來(lái)較小的磨損。圖11e為織構(gòu)深度與間距的交互圖，在角度不變時(shí)，隨著織構(gòu)深度的增加，磨損深度有減小的趨勢(shì)，這與圖11c得到的結(jié)論一致。

綜上可知，選擇較大的間距及平行或垂直于刃口的織構(gòu)角度可以降低磨損深度，較大的織構(gòu)間距也會(huì)獲得較小的磨損深度。

綜合對(duì)比29組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各織構(gòu)因素分別為寬度60μm，間距50μm，角度0°及深度60μm時(shí)，YT15刀具在干式切削中會(huì)獲得較好的切削性能。此時(shí)得到刀具最高溫度為508℃，切削力為2621N，2000步時(shí)刀具累積磨損深度為2.21×10-7mm，三個(gè)指標(biāo)相對(duì)于無(wú)織構(gòu)刀具均有較大降低，且綜合來(lái)看優(yōu)于其它織構(gòu)組。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用適當(dāng)?shù)目棙?gòu)參數(shù)改變了刀具表面單位性質(zhì)，在切削過(guò)程中減小了刀具與工件的接觸面積，使得刀具切削力、切削溫度及磨損降低；

(2)利用仿真模型的響應(yīng)曲面圖直觀地分析了織構(gòu)參數(shù)對(duì)干式切削的交互影響規(guī)律；

(3)通過(guò)二次回歸響應(yīng)曲面模型得到的最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)組合為寬度60μm，間距50μm，角度0°及深度60μm，此時(shí)刀具的最高溫度為508℃，切削力為2621N，2000步時(shí)刀具累積磨損深度為2.21×10-7mm。