清潔切削刀具三維斷屑槽切削仿真技術(shù)研究

胡賢金，邱易，楊冰，謝勇，王光兵

1成都工具研究所有限公司；2成都邦普切削刀具股份有限公司

1 引言

清潔切削技術(shù)作為綠色制造技術(shù)，對(duì)環(huán)境污染很小，干切削是其中一種重要的清潔切削技術(shù)，這種切削方式不采用微量潤(rùn)滑、水蒸氣冷卻潤(rùn)滑、氮?dú)饬骼鋮s潤(rùn)滑、渦流管壓縮空氣冷卻潤(rùn)滑、空氣絕熱膨脹制冷切削及噴霧冷卻等技術(shù)，在切削過(guò)程中不使用切削液，其缺點(diǎn)在于切削過(guò)程中刀具會(huì)承受較大負(fù)荷，刀具切削產(chǎn)生的熱量大，切削區(qū)域溫度高，熱變形大，通常采用高速切削機(jī)床快速排屑以及性能較好的刀具材料與涂層技術(shù)等改善這一狀況。其中，采用三維斷屑槽刀具結(jié)構(gòu)可大幅改善切削性能。本文將對(duì)多種不同幾何參數(shù)及涂層材料的斷屑槽刀片用切削仿真軟件進(jìn)行分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

2 切削仿真試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

切削仿真涉及的科學(xué)數(shù)據(jù)包括工件材料數(shù)據(jù)、刀具材料數(shù)據(jù)、刀具涂層材料數(shù)據(jù)和切削冷卻液數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還包括刀具設(shè)計(jì)幾何模型參數(shù)數(shù)據(jù)以及通過(guò)切削試驗(yàn)獲得的各種工藝數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。而切削冷卻液涉及與熱傳導(dǎo)有關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)、冷卻液化學(xué)配方數(shù)據(jù)、冷卻液使用數(shù)據(jù)等。

切削仿真使用Third Wave AdvantEdge FEM切削仿真軟件對(duì)切削加工溫度、切削力、切削應(yīng)力及切削卷曲等進(jìn)行分析及優(yōu)化，能夠模擬車(chē)削、銑削、鉆削、拉削、鋸削、開(kāi)槽、攻螺紋及鏜削等刀具在切削材料的瞬時(shí)狀況和切屑排放方式，支持徑向力和切向力分析，模擬剩余時(shí)間，驗(yàn)證文件，支持自動(dòng)計(jì)算，支持模擬金屬切削過(guò)程中的切削力、熱流、溫度、塑性應(yīng)變和各種切削應(yīng)力等數(shù)據(jù)；通過(guò)軟件獲得分析溫度與應(yīng)力的功能，以預(yù)測(cè)工具磨損行為、性能以及功率等；延長(zhǎng)刀具壽命和提高零件質(zhì)量，減少試驗(yàn)測(cè)試的次數(shù)。由于采用國(guó)外商業(yè)化切削仿真軟件，提供的工件材料、刀具材料及涂層材料等國(guó)產(chǎn)材料應(yīng)與國(guó)外材料牌號(hào)進(jìn)行對(duì)照并保持一致。

切削仿真的工件模型可用軟件自帶的參數(shù)化模型，也可通過(guò)二維或三維軟件建模后導(dǎo)入。刀具二維模型可用仿真軟件內(nèi)部的作圖功能進(jìn)行繪制，刀具三維模型一般采用其它三維軟件建模，輸出.stp或.step文件并導(dǎo)入。切削仿真中相關(guān)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)(如切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量)可以通過(guò)切削試驗(yàn)或查詢(xún)手冊(cè)獲取，還可通過(guò)設(shè)置不同的值，直接在仿真分析后進(jìn)行篩選。

2.2 切削仿真分析

網(wǎng)格劃分的設(shè)置對(duì)切削仿真計(jì)算時(shí)間及計(jì)算結(jié)果有很大影響，如切屑最小單元邊長(zhǎng)定義了網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域內(nèi)單元的邊長(zhǎng)，切削刃最小單元邊長(zhǎng)定義了位于細(xì)化區(qū)域內(nèi)切削刃附近最小單元的邊長(zhǎng)，切削刃細(xì)化區(qū)域半徑?jīng)Q定了切削刃附近細(xì)化區(qū)域的大小等。若切屑最小單元邊長(zhǎng)設(shè)為0.06，切削刃最小單元邊長(zhǎng)設(shè)為0.02，細(xì)網(wǎng)格設(shè)置，得到的仿真鐵屑網(wǎng)格雖然很密，但計(jì)算量十分龐大。而同樣是細(xì)網(wǎng)格設(shè)置，將切屑最小單元邊長(zhǎng)設(shè)為0.4，切削刃最小單元邊長(zhǎng)設(shè)為0.2，仿真的鐵屑網(wǎng)格會(huì)相對(duì)更稀疏，計(jì)算量也會(huì)減少很多，計(jì)算速度更快。所以，先將網(wǎng)格設(shè)置得更粗，得到宏觀結(jié)果后，再針對(duì)個(gè)別需要將網(wǎng)格設(shè)置得更細(xì)一些，以獲得期望的微觀結(jié)果。

2.3 刀片槽型仿真對(duì)比分析

如圖1所示，刀片斷屑槽型是由復(fù)雜的三維體素組成，其部件族是由其中一部分參數(shù)作一些變化后形成。選用CNMG型刀片，斷屑槽型為UX型，內(nèi)接圓直徑為12.7mm，三種斷屑槽設(shè)計(jì)方案的刀尖圓弧半徑分別為0.4mm，0.8mm，1.2mm，其它參數(shù)如圖2f所示。參數(shù)設(shè)計(jì)變量p99為斷屑島圓弧半徑，p59為斷屑島花紋拉伸距離，p46，p50，p56為斷屑槽尺寸，p2為刀尖圓弧半徑。斷屑槽各變量如圖2所示。

圖1 刀片三維模型

(a)變量p2(刀尖圓弧半徑)

表1 斷屑槽型刀片參數(shù)值

(1)切削仿真正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，并將正交試驗(yàn)選擇的水平組合列成表格(正交表)，這些有代表性的點(diǎn)具備均勻分散和齊整可比的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法，是一種高效率、快速且經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。例如，一個(gè)三因素三水平的試驗(yàn)如果按全面試驗(yàn)要求，須進(jìn)行33=27種組合試驗(yàn)，且未考慮每一組合的重復(fù)數(shù)；若按L9(33)正交表安排試驗(yàn)，只需作9次，按L18(37)正交表只需進(jìn)行18次試驗(yàn)，大大減少了工作量，因而正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在多種領(lǐng)域的研究中得到廣泛應(yīng)用。

斷屑槽參數(shù)表中變量可視為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素，其取值(離散值)可視為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水平。斷屑槽切削仿真試驗(yàn)有p46，p99，p271，p59，p50，p56，p2共七個(gè)因素(由于圖2f中的p124不變，可以不作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素)，其中，六個(gè)因素有2個(gè)離散取值，只有刀尖圓弧半徑p2有3個(gè)離散值，因此采用七因素三水平的L18(37)正交試驗(yàn)表，需做18次切削仿真試驗(yàn)。因素水平如表2所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

表2 因素與水平

表3 切削仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(2)鐵屑卷曲形狀對(duì)比分析

對(duì)比分析不同參數(shù)斷屑槽型(UX型)刀片的仿真結(jié)果。以鏜孔為例，為節(jié)省計(jì)算量，只取刀片銳角刀尖附近的約1/4實(shí)體進(jìn)行仿真分析，由于參與切削的是刀尖部分，故不影響切削仿真效果。

第1種槽型的刀片參數(shù)代碼：CNMG120404-UX p46：1.2 p99：1.5 p271：1.3 p124：2 p59：0.9 p50：1 p56：1 p2：0.4。

第2種槽型的刀片參數(shù)代碼：CNMG120408-UX p46：1.1 p99：2.5 p271：1.4 p124：2 p59：0.8 p50：0.8 p56：0.8 p2：0.8。

第3種槽型的刀片參數(shù)代碼：CNMG120412-UX p46：1.2 p99：2.5 p271：1.3 p124：2 p59：0.8 p50：1 p56：1 p2：1.2。

將三種不同參數(shù)的斷屑槽型(wgb1，wgb2，wgb3)刀片劃分為粗網(wǎng)格，以鐵屑效果作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)其仿真結(jié)果。如圖3所示，第一種槽型方案(wgb1)中鐵屑已對(duì)工件產(chǎn)生損傷，故非理想槽型方案，第二種(wgb2)及第三種(wgb3)槽型方案無(wú)較大缺陷，故可以選擇。

圖3 斷屑槽型切削仿真粗網(wǎng)格鐵屑效果對(duì)比

進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，設(shè)置進(jìn)給量為2mm/r，背吃刀量減小為0.75mm。如圖4所示，第三種斷屑槽型設(shè)計(jì)方案優(yōu)于其他兩種方案，其鐵屑是螺旋形狀且更規(guī)則的短切屑，而第一種斷屑槽型設(shè)計(jì)方案的鐵屑是纏繞型，容易損傷工件，建議不采用或只在粗加工中采用。同樣進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，背吃刀量保持0.75mm。單看鐵屑的形狀，由圖5和圖6可以看到，第三種斷屑槽型設(shè)計(jì)方案的鐵屑形狀較其他兩種方案更好，其螺旋形狀更規(guī)則，而第一種斷屑槽型設(shè)計(jì)方案最差。

圖4 斷屑槽型切削仿真細(xì)網(wǎng)格鐵屑效果對(duì)比

圖5 斷屑槽型切削仿真對(duì)比分析(進(jìn)給量f=2mm/r)

由圖6可以看出，每種方案都是刀尖與工件接觸點(diǎn)附近及鐵屑的溫度最高，是切削熱最集中的地方，符合切削熱的分布規(guī)律。

圖6 斷屑槽型切削仿真放大溫度云圖(進(jìn)給量f=1mm/r)

2.4 涂層與未涂層對(duì)比分析

如圖7所示，同樣的刀片，未涂層與涂層的仿真結(jié)果有所不同?？梢钥闯?，涂層刀片比未涂層刀片卷屑效果更規(guī)則，未涂層刀片開(kāi)始切削階段的碎屑更多。

圖7 涂層與未涂層刀片切削仿真效果對(duì)比(Z軸方向)

如圖8所示，未涂層刀片米塞斯應(yīng)力范圍為6.99～20368.59MPa，涂層刀片米塞斯應(yīng)力范圍為4.62～29608.94MPa，即涂層刀片應(yīng)力最低值更小，而最高值雖然更高，但通過(guò)觀測(cè)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其出現(xiàn)在遠(yuǎn)離刀尖處。故綜合看來(lái)，涂層刀片比未涂層刀片應(yīng)力分布更好，刀尖附近應(yīng)力相對(duì)較低，對(duì)提高刀具耐用度更有利。

圖8 涂層與未涂層刀片的米塞斯應(yīng)力對(duì)比(Z軸方向)

如圖9所示，未涂層刀片的切削溫度范圍為37.05℃～696.27℃，而涂層刀片的切削溫度范圍為35.44℃～697.08℃，即涂層刀片切削溫度最低值更小，而最高值雖然更高，但變化幅度比最低值小，故綜合看來(lái)，涂層刀片比未涂層刀片切削溫度分布更好，切削溫度相對(duì)較低，由切削熱產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較小，對(duì)提高刀具耐用度更有利。

圖9 涂層與未涂層刀片的切削溫度對(duì)比(Z軸方向)

從以上分析結(jié)果可以得出，與涂層刀具相比，未涂層刀具的切削溫度與應(yīng)力的最小值相對(duì)高些。涂層可有效提高刀具表面各項(xiàng)性能和減小刀具切削過(guò)程中的刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命，降低切削區(qū)域平均溫度。傳入刀具的切削熱相對(duì)減少，而大量切削熱被切屑帶走，刀具因發(fā)熱引起的熱應(yīng)力減小，從而使得刀具耐用度得到提高。

2.5 UX型斷屑槽刀片加工驗(yàn)證

將UX型斷屑槽刀片用于汽車(chē)輪轂法蘭盤(pán)加工，工件材料為65Mn，硬度為180～270HB，切削方式為連續(xù)車(chē)削，線(xiàn)速度220m/min，轉(zhuǎn)速n=400r/min，進(jìn)給量f=0.3mm/r，切削深度ap=1.5mm，其刀片壽命為72件，刀片磨損情況如圖10所示，磨損類(lèi)型多為后刀面磨損。

(a)前刀面磨損

其切削加工狀況如圖11所示，切屑多為螺旋狀，與切削仿真結(jié)果基本一致。

圖11 UX斷屑槽刀片實(shí)物切削加工狀況

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)切削仿真分析可以對(duì)設(shè)計(jì)刀具的物理性能參數(shù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，查看其溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、切削力和切屑卷曲情況等直觀分析結(jié)果或效果，對(duì)比分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，且對(duì)比分析效果較好，對(duì)刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的參考價(jià)值。