微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)輔助加工切削性能仿真研究*

□ 王 亮 □ 雷亞江 □ 牛玉艷

蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

1 研究背景

超聲橢圓振動(dòng)切削最早由Shamoto等[1]提出。相對(duì)于普通切削,超聲橢圓振動(dòng)切削由于自身特定的運(yùn)動(dòng)軌跡而具有優(yōu)良的材料去除特性,包括使金屬材料呈現(xiàn)鏡面心[2]、延長(zhǎng)刀具的使用壽命[3]、抑制毛刺[4]等方面。

在實(shí)際加工中,超聲橢圓振動(dòng)切削軌跡形狀受兩相激勵(lì)相位差、振幅、刀具形狀和進(jìn)給量等影響,進(jìn)而會(huì)影響到加工質(zhì)量[5]。

在刀具磨損機(jī)理中,切削力和切削溫度是影響刀具磨損的主要因素,減小切削力、降低切削溫度可以有效延長(zhǎng)刀具壽命。

仿生學(xué)和摩擦學(xué)的研究表明,具有一定非光滑形態(tài)的動(dòng)植物表面能夠?qū)崿F(xiàn)減摩、抗粘附、提高耐磨損性等良好的摩擦學(xué)性能,由此給科學(xué)家研究切削加工時(shí)刀具和切屑之間的減摩提供了新途徑,刀具表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[6]。

超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)可以延長(zhǎng)刀具使用壽命,改善切削性能。微織構(gòu)刀具可以減小刀具和切屑之間的摩擦因數(shù),改善潤(rùn)滑性能,降低切削溫度,減小切削力,延長(zhǎng)刀具使用壽命。

當(dāng)前,針對(duì)超聲橢圓振動(dòng)和微織構(gòu)雙效應(yīng)的切削研究仍較少,由此筆者對(duì)微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)輔助加工切削性能進(jìn)行仿真研究,分析振動(dòng)頻率和振幅條件對(duì)微織構(gòu)刀具切削性能的影響。

2 建模

2.1 微織構(gòu)刀具模型

AdvantEdge軟件可以實(shí)現(xiàn)切削、銑削、鉆削的二維和三維仿真加工[7],能夠?qū)氲谌杰浖⒌牡毒吣Ｐ瓦M(jìn)行仿真,輸出切削力、切削溫度、表面殘余應(yīng)力、刀具磨損等數(shù)據(jù),為廣大研究人員和企業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展切削加工研究和試驗(yàn)提供了仿真便利。筆者應(yīng)用AdvantEdge軟件進(jìn)行仿真研究,在AdvantEdge軟件中進(jìn)行二維車削仿真試驗(yàn),導(dǎo)入DXF文件格式刀具模型。在CAXA軟件中建立微織構(gòu)刀具模型,刀具材料為軟件自帶的Carbide-General硬質(zhì)合金刀具。微織構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1[8],微織構(gòu)刀具參數(shù)見(jiàn)表2,微織構(gòu)刀具模型如圖1所示。

表1 微織構(gòu)參數(shù)

表2 微織構(gòu)刀具參數(shù)

▲圖1 微織構(gòu)刀具模型

2.2 超聲橢圓振動(dòng)切削模型

超聲振動(dòng)輔助加工可以延長(zhǎng)刀具壽命,增加切屑,減小切削力。在AdvantEdge軟件中,對(duì)超聲振動(dòng)輔助加工進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡表達(dá)式為:

(1)

式中:Ax為X軸方向的振幅;Ay為Y軸方向的振幅;Fx為X軸方向的振動(dòng)頻率;Fy為Y軸方向的振動(dòng)頻率;t為時(shí)間;Tx為X軸方向的初始角度;Ty為Y軸方向的初始角度。

超聲振動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表3,刀尖超聲振動(dòng)軌跡如圖2所示。

表3 超聲振動(dòng)參數(shù)

▲圖2 刀尖超聲振動(dòng)軌跡

對(duì)刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡表達(dá)式進(jìn)行求導(dǎo),并與切削速度v疊加,得到刀尖速度表達(dá)式為[9]:

(2)

當(dāng)?shù)毒咴谇邢鞣较蛏系淖畲笳駝?dòng)速度大于切削速度時(shí),刀具會(huì)與切屑及工件分離,由此降低切削溫度,減小切削力。超聲振動(dòng)刀具速度曲線如圖3所示。通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn),刀具速度有正有負(fù),呈周期性變化。當(dāng)?shù)毒咚俣葹樨?fù)時(shí),刀具與切屑分離。

▲圖3 超聲振動(dòng)刀具速度曲線

2.3 刀具模型導(dǎo)入

在CAXA軟件中繪制得到的刀具模型文件類型為DXF,文件名與在AdvantEdge軟件中建立的仿真過(guò)程文件名一致,并且與分析文件存儲(chǔ)在同一個(gè)文件夾中。刀具模型文件導(dǎo)入AdvantEdge軟件后,可以在DXF Tool Viewer窗口查看導(dǎo)入的刀具形狀,并對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置刀具模型網(wǎng)格尺寸時(shí),由于刀具織構(gòu)間距為0.01 mm,且刀具網(wǎng)格尺寸比織構(gòu)間距小,因此設(shè)置最小網(wǎng)格尺寸為0.005 mm。刀具模型網(wǎng)格尺寸設(shè)置完成以后,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。刀具模型網(wǎng)格劃分完成以后,可以在Tool Mesh Viewer窗口中查看網(wǎng)格劃分情況,然后在Custom Tool Editor窗口中對(duì)刀具模型進(jìn)行邊界約束。

2.4 切削模型

建立二維切削模型,工件長(zhǎng)度為5 mm,高度為2 mm,材料為Ti6Al4V。Ti6Al4V屬于典型難加工金屬材料,對(duì)刀具的切削性能要求較高,對(duì)刀具切削性能進(jìn)行研究具有很好的應(yīng)用價(jià)值[10]。采用硬質(zhì)合金刀具,切削參數(shù)見(jiàn)表4,建立的切削模型如圖4所示。

表4 切削參數(shù)

▲圖4 切削模型

3 仿真分析

分為二維普通刀具切削、二維微織構(gòu)刀具切削、二維普通刀具超聲振動(dòng)切削、二維微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)切削四種情況進(jìn)行仿真,切削參數(shù)一致,對(duì)比分析切削溫度、切削應(yīng)力、切削力的變化情況。

3.1 切削溫度

在切削過(guò)程中,切削熱的產(chǎn)生原因主要有兩方面。一方面是切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形和塑性變形,另一方面是切屑與前刀面、后刀面與工件之間所消耗的摩擦功。切削熱由切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)傳出[11]。四種情況刀具峰值溫度隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn),二維普通刀具切削時(shí)刀具峰值溫度最高,二維微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)切削時(shí)刀具峰值溫度最低。在二維普通刀具切削過(guò)程中,刀具峰值溫度為670 ℃。在二維普通刀具超聲振動(dòng)切削過(guò)程中,刀具峰值溫度為640 ℃。振動(dòng)加工時(shí),刀具振動(dòng)速度是周期性的,由前文分析可知,刀具最大振動(dòng)速度大于切削速度,刀具與切屑有周期性分離,會(huì)降低切削溫度。在二維微織構(gòu)刀具切削過(guò)程中,刀具峰值溫度為550 ℃。刀具前刀面的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)增大了傳熱面積,加之刀具是熱的良導(dǎo)體,有利于切削熱的傳導(dǎo)。另一方面,微織構(gòu)可以減小前刀面與切屑之間的摩擦因數(shù),減小發(fā)熱量,由此二維微織構(gòu)刀具切削過(guò)程中刀具峰值溫度比二維普通刀具切削過(guò)程低。在二維微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)切削過(guò)程中,刀具峰值溫度為520 ℃,是四種情況中最低的,說(shuō)明微織構(gòu)結(jié)構(gòu)和超聲振動(dòng)加工雙效應(yīng)可以顯著降低切削溫度。

▲圖5 刀具峰值溫度隨時(shí)間變化曲線

四種情況刀具切削溫度分布如圖6所示。對(duì)比二維普通刀具切削和二維微織構(gòu)刀具切削,發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)可以有效降低刀具切削溫度,減小高溫區(qū)域。對(duì)比二維普通刀具切削和二維普通刀具超聲振動(dòng)切削、二維微織構(gòu)刀具切削和二維微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)切削,發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)加工可以降低刀具切削溫度,縮小高溫區(qū)域,但是效果不如微織構(gòu)結(jié)構(gòu)。當(dāng)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)和超聲振動(dòng)加工同時(shí)作用時(shí),刀具切削溫度最低,高溫區(qū)域也最小。

3.2 切削力

在二維切削過(guò)程中,切削力可以沿X軸方向和Y軸方向分解[12]。四種情況切削力隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn),二維普通刀具超聲振動(dòng)切削和二維微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)切削過(guò)程中,切削力相比二維普通刀具切削和二維微織構(gòu)刀具切削有明顯減小,說(shuō)明超聲振動(dòng)加工可以有效減小切削力,而微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)切削力的影響則不是很明顯,原因可能為摩擦因數(shù)設(shè)置時(shí)采用系統(tǒng)默認(rèn)值,忽略了微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響。

▲圖6 刀具切削溫度分布▲圖7 切削力隨時(shí)間變化曲線

3.3 切削應(yīng)力

四種情況切削應(yīng)力分布如圖8所示。在二維普通刀具切削過(guò)程中,切削應(yīng)力最大值為3 949 MPa,高應(yīng)力區(qū)域較大。在二維普通刀具超聲振動(dòng)切削過(guò)程中,切削應(yīng)力最大值為2 760 MPa,高應(yīng)力區(qū)域相比二維普通刀具切削明顯減小,說(shuō)明超聲振動(dòng)加工可以減小切削應(yīng)力。在二維微織構(gòu)刀具切削過(guò)程中,切削應(yīng)力最大值為4 540 MPa,相比二維普通刀具切削有所增大,原因是微織構(gòu)結(jié)構(gòu)使刀具前刀面存在截面突變,會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。二維微織構(gòu)刀具切削的高應(yīng)力區(qū)相對(duì)二維普通刀具切削有所減小。在二維微織構(gòu)刀具超聲振動(dòng)切削過(guò)程中,切削應(yīng)力最大值為2 006 MPa,高應(yīng)力區(qū)是四種情況中最小的,說(shuō)明超聲振動(dòng)加工和微織構(gòu)結(jié)構(gòu)都可以減小切削應(yīng)力。通過(guò)對(duì)比可知,超聲振動(dòng)加工對(duì)減小切削應(yīng)力的作用相比微織構(gòu)結(jié)構(gòu)更為明顯,兩者共同作用時(shí),切削應(yīng)力最大值和高應(yīng)力區(qū)都是最小的。

▲圖8 切削應(yīng)力分布

4 結(jié)論

在相同刀具參數(shù)和切削參數(shù)條件下,筆者通過(guò)仿真普通刀具和微織構(gòu)刀具在正常切削和超聲振動(dòng)輔助加工時(shí)切削溫度、切削力、切削應(yīng)力的變化情況,分析超聲振動(dòng)輔助加工和微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)切削溫度、切削力、切削應(yīng)力的影響,得出如下結(jié)論:

(1) 超聲振動(dòng)輔助加工可以降低普通刀具和微織構(gòu)刀具的峰值溫度,并且可以縮小刀具高溫區(qū)域;微織構(gòu)結(jié)構(gòu)能夠明顯降低刀具峰值溫度,縮小刀具高溫區(qū)域;微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)切削溫度的影響相比超聲振動(dòng)輔助加工更為明顯;

(2) 超聲振動(dòng)輔助加工可以有效減小切削力,微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)切削力的影響則較小;

(3) 微織構(gòu)結(jié)構(gòu)可以改善切削應(yīng)力分布,減小切削應(yīng)力最大值;超聲振動(dòng)輔助加工可以有效減小高應(yīng)力區(qū),并且減小切削應(yīng)力最大值;

(4) 微織構(gòu)結(jié)構(gòu)和超聲振動(dòng)輔助加工同時(shí)作用時(shí)對(duì)切削溫度、切削力、切削應(yīng)力的影響明顯大于采用單一方法,微織構(gòu)結(jié)構(gòu)和超聲振動(dòng)輔助加工雙效應(yīng)可以有效降低切削溫度,減小切削力和切削應(yīng)力。