斷屑槽凸臺形狀對車削鈦合金影響的研究

馮華瑤，陳舜青

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院

1 引言

鈦合金具有導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高和彈性模量小的特點，在切削加工中會出現(xiàn)切削溫度高及刀具磨損嚴重等問題，降低刀具使用壽命[1-3]?；诓牧霞庸び不蛿D壓變形后產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料斷裂應(yīng)變的原理[4，5]，在斷屑槽上增加凸臺可得到很好的斷屑效果，有效降低斷屑槽深度，縮短槽寬，相對增大反屑面。當(dāng)切屑從切削刃流入經(jīng)過凸臺時，斷屑槽凸臺對切屑的彎曲力矩增大，切屑變形大[6-8]。當(dāng)切削用量相對較小、凸臺離切削刃較近時，凸臺主要起斷屑作用；當(dāng)切削用量相對較大時，切屑經(jīng)過凸臺受到撞擊產(chǎn)生變形，形成凸起，后續(xù)受到槽背阻礙更易折斷。因此，在切削深度和進給量不同時，合理設(shè)置凸臺可起不同作用。

Nakayama Kazuo等[9-11]研究發(fā)現(xiàn)，通過改變斷屑槽的形狀與結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生彎矩壓力作用使切屑卷曲。Noritaka Kawasegi等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在前刀面增加微型織構(gòu)能改善前刀面的磨損狀況，從而減小切削力。李凌祥等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在刀尖位置處設(shè)計小型凸包結(jié)構(gòu)可以縮短斷屑槽寬，使切屑更容易折斷。龍新延等[14]通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，隨著凸臺高度的增加，切屑更易折斷，故在采用小進給量切削加工塑性好的材料時，宜考慮高度大的凸臺槽型。

綜上可知，凸臺槽型對斷屑起積極的作用，本文設(shè)計了三種不同形狀的凸臺刀具，通過仿真分析研究，并對結(jié)果匯總進行分析，得出最佳凸臺刀具，從而優(yōu)化斷屑槽凸臺槽型。

2 切削仿真試驗與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗條件

本次仿真采用硬質(zhì)合金刀具，主要成分為碳化鎢(WC)。斷屑槽參數(shù)為前角35°，后角0°，刃傾角0°，反屑角60°，槽深0.3mm，槽寬0.62mm，棱帶寬0.1mm，刀尖圓弧0.05mm。設(shè)凸臺寬度與高度均為0.1mm，刀具材料(WC)與工件材料(Ti6AL4V)的主要物理性能參數(shù)分別見表1和表2。

表1 WC材料物理性能參數(shù)

表2 Ti6Al4V材料物理性能參數(shù)

前文提出，切削用量在較小范圍時，切屑經(jīng)過凸臺后會卷曲斷屑，此時凸臺起主要斷屑作用(最終流程)，設(shè)切削用量為:進給量0.3mm/r，背吃刀量0.3mm。切削用量在較大范圍時，凸臺起擠壓切屑作用(中間流程)，設(shè)切削用量為進給量0.45mm/r，背吃刀量0.45mm。

因Deform軟件擁有完備的材料庫[15]，仿真試驗從軟件材料庫調(diào)用Ti6Al4V鈦合金，設(shè)定工件與刀具的簡化模型進行切削試驗。設(shè)切削速度為1000mm/s，環(huán)境初始溫度20℃，摩擦因數(shù)0.6，導(dǎo)熱系數(shù)45W/(m·K)。

為提高仿真結(jié)果的精確度并減小實際誤差，對刀具切削部分及工件被切削部分進行網(wǎng)格細化。設(shè)局部網(wǎng)格劃分最小尺寸為0.03mm，切削模型見圖1，刀具和工件網(wǎng)格分別見圖2和圖3。

圖1 切削仿真模型

2.2 切削力分析

匯總不同切削用量下各凸臺刀具切削過程中的主切削力，運用Origin數(shù)據(jù)分析軟件，利用相鄰平均法得出各切削力的平滑曲線，其數(shù)據(jù)變化見圖4。

圖2 刀尖細化網(wǎng)格 圖3 工件細化網(wǎng)格

圖4 不同切削用量時各凸臺刀具主切削力的變化曲線

由圖可知，有凸臺刀具的整體切削力大于無凸臺刀具，說明增加凸臺可以提高切削過程的切削力。這是因為相較于無凸臺刀具，增加凸臺相當(dāng)于減小了槽寬，在切削過程中切屑流經(jīng)前刀面時受到凸臺的阻礙，導(dǎo)致切削力增加。從凸臺形狀分析，在大切削用量時，各凸臺刀具的切削力相差不大；而在小切削用量時，相比菱形凸臺刀具與圓柱形凸臺刀具，球凸臺刀具產(chǎn)生的切削力小，說明球凸臺作為槽背時切屑更易流出。

2.3 切削溫度分析

切削過程中會產(chǎn)生大量的熱，除少部分散發(fā)到周圍空氣外，大部分的熱量通過熱傳遞方式傳遞給刀具、工件以及切屑。切削中，過高的溫度不僅會影響表面質(zhì)量，使加工精度達不到設(shè)計要求，也會導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生磨損，使刀具壽命大大降低。因此，合理選擇斷屑槽參數(shù)以降低切削溫度尤為重要。圖5為切削仿真過程溫度云圖。

為比較各類凸臺刀具的切削溫度，取各凸臺刀具切削過程的刀尖點為參考點，圖6為切削過程中溫度的變化曲線。

由圖可知，有凸臺刀具的切削溫度略小于無凸臺刀具，說明增加凸臺可以降低切削點溫度。因為凸臺對切屑的阻礙相較于無凸臺引起了更大的切屑卷曲變形，又因高速切削過程中產(chǎn)生的大部分熱量由切屑帶走，從而使刀具溫度有所下降。從凸臺形狀來看，各凸臺刀具整體溫度相差較小。

圖5 切削溫度云圖

圖6 不同切削用量時各凸臺刀具切削溫度變化

2.4 切屑應(yīng)力應(yīng)變分析

對比分析凸臺刀具與無凸臺刀具的切削力及切削溫度發(fā)現(xiàn)，凸臺對切削力及切削熱的影響較小，且各形狀凸臺刀具的切削力與切削熱相差不大。故可從切屑的應(yīng)力應(yīng)變角度進行分析，對比各凸臺刀具切削仿真結(jié)束時的切屑狀態(tài)，綜合考慮凸臺形狀進行選取。由于凸臺在小切削用量主要起斷屑作用，可取切削過程中最大等效應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；在大切削用量時，為體現(xiàn)凸臺的不同作用，可取切屑經(jīng)過凸臺且與斷屑槽槽背處接觸的應(yīng)力值，取最終時間的應(yīng)變值，具體結(jié)果如表3、表4和圖7、圖8所示。

表3 小切削用量時各凸臺刀具切屑應(yīng)力應(yīng)變

表4 大切削用量時各凸臺刀具切屑應(yīng)力應(yīng)變

分析不同切削用量時各凸臺刀具應(yīng)力應(yīng)變可知，相較于無凸臺刀具，有凸臺刀具的凸臺對切屑形成了阻礙，對其施加的彎矩壓力導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變增加。

圖7 不同切削用量時各凸臺刀具切屑應(yīng)力對比

圖8 不同切削用量時各凸臺刀具切屑應(yīng)變對比

在不同凸臺形狀中，球形凸臺刀具導(dǎo)致切屑的應(yīng)力應(yīng)變較大。究其原因，在小切削用量時凸臺起主要斷屑作用(最終流程)，此時切屑經(jīng)過切削刃流向凸臺，球凸臺與切屑的接觸面積更大，對切屑的阻礙更大，更易于斷屑。而與菱形凸臺接觸的位置更鋒利，易在某些部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力，同時由于產(chǎn)生的剪切作用造成切屑分叉，從而使斷屑效果變?nèi)?；而在大切削用量時，凸臺起擠壓切屑變形作用(中間流程)，菱形凸臺和圓柱形凸臺與切屑的直接接觸面為平面，相當(dāng)于以零度前角進行切削，因此造成切屑的卷曲半徑減小，切屑在經(jīng)過凸臺撞向槽背時的接觸面積減小，受到的阻礙變小。而球形凸臺由于有一定的傾斜角度，與切屑接觸的前角相對較大，使切屑卷曲半徑增大，與槽背接觸時的接觸面積更大，受到更大的阻礙。

綜上所述，球形凸臺刀具更容易使切屑卷曲斷屑，產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。

3 凸臺磨損分析

對各凸臺刀具的磨損情況進行比較，選擇磨損較小的刀具，以保障和提高刀具的使用壽命。采用Deform-3D軟件的 Usui 模型對工具損耗進行分析，具體參數(shù)如下

(1)

式中，w為磨損深度；a，b為試驗校正因子，a取1×10-7，b取855；p為界面壓力；v為滑動速度；T為溫度；dt為時間增量。

對切削仿真后各凸臺刀具的磨損情況進行分析，圖9和圖10為切削過程中最大磨損云圖及磨損量。

圖9 刀具磨損云圖

圖10 凸臺磨損量

圖中序號A～E表示不同磨損深度，由各凸臺刀具的磨損量分析可得，刀具的主要磨損形式為月牙洼磨損，且集中在主切削刃附近，形成一定寬度梯度的磨損帶，磨損變化較為顯著。隨著切削的進行，無凸臺刀具的前刀面及槽背受到切屑的沖擊而產(chǎn)生較大的磨損，損傷范圍較大；凸臺刀具的最大磨損主要集中在切削刃至凸臺中間，因為大切削用量時切屑受到擠壓在間隙產(chǎn)生滯留導(dǎo)致磨損，為解決此問題，可在凸臺與切削刃間增添小型凸臺并形成階梯狀，可有效減少磨損。綜上，凸臺刀具前刀面及槽背的磨損范圍相對較小，因此凸臺可有效減少前刀面的磨損。

從最大磨損深度看，在不同形狀凸臺中，圓柱形凸臺的磨損深度最低(為0.000106mm)，球凸臺次之(磨損深度為0.000122mm)，菱形凸臺較大(磨損深度為0.000140mm)。從刀具壽命角度考慮，三者差異不大。

從磨損范圍看，凸臺的磨損對切削過程影響較大。當(dāng)凸臺磨損增大后，后續(xù)切削時凸臺失去對切屑的限制流向作用，極大影響斷屑效果。據(jù)圖中凸臺磨損量顯示，切削結(jié)束后，球凸臺的磨損范圍集中在靠近切削刃的半球面，菱形以及圓柱形凸臺的磨損范圍涵蓋了整個凸臺面，磨損深度由凸臺中心點向外擴散呈逐漸均勻分布。綜上，球凸臺在切削過程中，磨損范圍較小，相較于其他凸臺形狀更能延長刀具使用壽命。

4 試驗驗證

為驗證上述結(jié)論的實際意義，將試驗的結(jié)論與仿真結(jié)果進行對比。本試驗采用CM6140A臥式車床進行車削試驗，將YDCB-Ⅲ25壓電石英測力儀固定在刀架上，在切削過程中，切削力的電荷信號經(jīng)過測力儀放大后轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過信號采集傳輸至計算機，通過切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)得到切削力數(shù)據(jù)變化情況。切削溫度測量工具為巨哥電子MAG31在線式紅外熱像儀(見圖11和圖12)。

圖11 切削試驗設(shè)備 圖12 數(shù)據(jù)測量設(shè)備

工件為Ti6Al4V鈦合金棒料，尺寸為φ30mm×200mm，采用4種不同凸臺結(jié)構(gòu)的WC刀具。設(shè)定兩種不同切削條件:切削速度1000mm/s，進給量0.3mm/r，背吃刀量0.3mm；切削速度1000mm/s，進給量0.45mm/r，背吃刀量0.45mm。試驗條件與仿真條件基本相同。

試驗完成后，選取測得的平均切削力與平均切削溫度值與仿真數(shù)值進行對比，結(jié)果分別見圖13和圖14。

圖13 不同切削用量時實驗與仿真切削力對比

圖14 不同切削用量時試驗與仿真切削溫度對比

由圖可得，在不同切削用量時，無凸臺刀具切削力較小，切削溫度較大，符合仿真預(yù)期，且整體數(shù)據(jù)誤差在10%左右，具有一定的參考性。

5 結(jié)語

基于Deform-3D有限元軟件，使用WC刀具對Ti6AL4V鈦合金進行切削仿真模擬與試驗對比，可以得出以下結(jié)論。

(1)在刀具上增加凸臺可以增大切削過程的切削力，減小切削溫度。

(2)球凸臺刀具較菱形及圓柱形凸臺刀具對切屑的應(yīng)力應(yīng)變影響更大，相對斷屑效果較佳。

(3)凸臺刀具可減少因切屑沖擊造成的前刀面磨損，球凸臺刀具的凸臺磨損范圍相對更小，刀具使用壽命更長。