織構(gòu)截面形狀對刀具切削性能的影響仿真研究

溫永美，李坤

河南工學(xué)院車輛與交通工程學(xué)院

1 引言

在金屬切削過程中，刀-屑界面劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱，加之刀-屑界面的高應(yīng)力和材料高活性等特點，使刀具磨損加劇[1]。為了改善刀-屑界面摩擦狀態(tài)和降低切削溫度，在切削過程中會用到大量切削液[2]。由于刀-屑界面結(jié)合緊密，僅有很少一部分切削液進入到刀-屑界面，易造成大量切削液浪費，增加切削加工成本，并對環(huán)境造成污染。因此，改善刀-屑界面摩擦狀態(tài)對于綠色制造[3，4]及提高刀具使用壽命有重要意義。

近年來，對表面摩擦進行仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，某些特定的非光滑表面摩擦學(xué)特性優(yōu)于光滑表面[5，6]。有學(xué)者將這種非光滑表面(織構(gòu))應(yīng)用于刀具，以改善刀具的切削性能。研究結(jié)果表明，織構(gòu)能夠有效降低刀具切削力、降低切削溫度、減小摩擦系數(shù)和提高刀具抗磨損，對于提升刀具切削性能有明顯效果[7-10]。Sun X.等[11]利用飛秒激光在硬質(zhì)合金刀片前刀面上制備了不同方向的織構(gòu)，通過鈦合金切削試驗，研究了不同織構(gòu)方向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊?，試驗結(jié)果表明，在制備的不同方向織構(gòu)中，平行織構(gòu)的切削性能最好，表現(xiàn)出良好的減摩、抗磨及提高表面加工質(zhì)量的效果。Kawasegi N.等[12]利用聚焦離子束和后續(xù)熱處理方法在金剛石刀具表面制備了不同形貌的織構(gòu)，通過鋁合金和鎳磷合金的切削加工試驗研究了織構(gòu)形貌對刀具切削性能的影響，試驗結(jié)果表明，織構(gòu)對切削性能的影響與刀-屑接觸長度有關(guān)，刀-屑接觸長度主要取決于織構(gòu)形貌、切削速度和工件材料等因素。張娜等[13]利用激光技術(shù)在硬質(zhì)合金刀片表面制備不同參數(shù)的凹坑織構(gòu)，并進行了摩擦磨損和切削試驗，試驗結(jié)果表明，一定參數(shù)的凹坑織構(gòu)能夠降低刀-屑摩擦系數(shù)、刀具磨損和刀具主切削力，能夠有效改善刀具切削性能和提高刀具使用壽命。郭志遠等[14]通過仿生蜣螂表皮和鯊魚表皮，在陶瓷刀具前刀面制備了微凹坑織構(gòu)、微溝槽織構(gòu)和微坑-槽復(fù)合織構(gòu)，通過有限元仿真和車削試驗研究了刀具的切削性能。試驗結(jié)果表明，相比無織構(gòu)刀具，三種織構(gòu)刀具均改善了切削性能，其中微坑-槽復(fù)合織構(gòu)刀具在不同切削工況下切削性能最優(yōu)。

國內(nèi)外學(xué)者進行了大量織構(gòu)刀具切削性能的試驗和仿真研究，但研究大多集中在織構(gòu)形貌、織構(gòu)參數(shù)等對刀具切削性能的影響，關(guān)于織構(gòu)截面形狀對刀具切削性能影響的研究很少。因此，本文建立了不同截面形狀硬質(zhì)合金織構(gòu)刀具切削45鋼的仿真模型，研究了不同織構(gòu)截面形狀對主切削力、切削溫度和刀具應(yīng)力的影響，為織構(gòu)刀具的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

2 建立切削仿真模型

2.1 切削模型

采用仿真軟件建立不同截面形狀的硬質(zhì)合金織構(gòu)刀具切削加工45鋼的二維正交切削模型(見圖1)。二維正交切削模型應(yīng)滿足平面應(yīng)變特征，即切削深度達到切削厚度5倍以上時可采用二維正交切削模型[15]。本仿真選擇切削厚度為0.1mm，切削深度為1mm，能夠滿足平面應(yīng)變特征，符合二維正交切削模型建立條件。仿真選擇切削性能較好且平行于主切削刃的槽型織構(gòu)[16]，創(chuàng)建刀具前角為5°，刀具后角為7°，工件為3mm×1mm長方形模型，其幾何模型見圖1?？棙?gòu)參數(shù)為織構(gòu)寬度40μm，織構(gòu)刃邊距100μm，織構(gòu)間距70μm，織構(gòu)深度30μm，織構(gòu)截面形狀分別選擇三角形、矩形、圓弧形、正梯形和倒梯形，織構(gòu)刀具如圖2所示(圖中數(shù)值單位為mm)。

圖1 二維正交切削模型

(a)三角形截面

2.2 材料本構(gòu)模型

材料本構(gòu)模型為仿真時描述材料力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型，目前，國內(nèi)外研究人員在切削仿真時多使用能夠表達應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，45鋼的Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)見表1，J-C材料本構(gòu)模型為[17]

表1 45鋼的J-C本構(gòu)參數(shù)[18]

(1)

2.3 仿真切削方案

本仿真中，分別選擇無織構(gòu)、三角形截面織構(gòu)、矩形截面織構(gòu)、圓弧形截面織構(gòu)、正梯形截面織構(gòu)和倒梯形截面織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具干式車削45鋼。有織構(gòu)刀具的織構(gòu)參數(shù)均相同，織構(gòu)寬度為40μm，織構(gòu)間距為70μm，織構(gòu)刃邊距100μm，織構(gòu)深度30μm。

選擇高速車削工況參數(shù)，切削厚度為0.1mm，切削深度為1mm，切削速度為800m/min，環(huán)境溫度為20℃。

3 仿真切削結(jié)果及分析

3.1 主切削力

切削力一般可分解為主切削力、進給力和背向力，主切削力是評價刀具切削性能的主要指標(biāo)之一，也是計算車刀強度、設(shè)計機床零件和確定機床功率的主要依據(jù)。選取主切削力曲線穩(wěn)定區(qū)平均值為主切削力的值，分析不同織構(gòu)截面形狀對織構(gòu)刀具切削性能的影響。

圖3為不同種類刀具的主切削力仿真結(jié)果?？芍?，織構(gòu)刀具的主切削力均小于無織構(gòu)刀具；與無織構(gòu)刀具相比，三角形截面織構(gòu)刀具、矩形截面織構(gòu)刀具、圓弧形截面織構(gòu)刀具、正梯形截面織構(gòu)刀具和倒梯形截面織構(gòu)刀具的主切削力分別減小了2.4%，4.2%，3.3%，4%，3%。以上各織構(gòu)刀具的織構(gòu)參數(shù)相同，對刀-屑接觸面積的影響也相同。

圖3 不同織構(gòu)刀具的主切削力值

仿真結(jié)果表明，不同織構(gòu)截面形狀獲得的主切削力大小有差異，說明織構(gòu)截面形狀對織構(gòu)刀具主切削力有一定程度影響。通過分析仿真切削過程中刀-屑界面狀態(tài)(見圖4)可知，不同織構(gòu)截面形狀的織構(gòu)刀具表現(xiàn)出不同程度的二次切削，二次切削現(xiàn)象的產(chǎn)生會增大刀具的主切削力[19]。三角形截面織構(gòu)刀具的二次切削現(xiàn)象較其他截面形狀織構(gòu)刀具更加明顯，對主切削力的增大作用較顯著，因此三角形截面織構(gòu)刀具的主切削力大于其他織構(gòu)刀具。

(a)三角形截面

圖5為不同刀具主切削力變化曲線。與無織構(gòu)刀具相比，有織構(gòu)刀具能夠減小切削過程中的主切削力波動。

(a)無織構(gòu)刀具

3.2 切削溫度

在切削過程中，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量，并主要由材料的塑性變形熱量、刀-工界面摩擦熱以及刀-屑界面摩擦熱組成。其中有一部分熱量傳導(dǎo)至刀具，使刀具溫度升高，導(dǎo)致刀具材料軟化，加劇刀具磨損，令使用壽命下降[20]，因此，分析切削過程中刀具的溫度顯得十分必要。仿真時選取切削過程中刀具最高溫度，分析不同織構(gòu)截面形狀對織構(gòu)刀具切削性能的影響。圖6為各刀具切削溫度仿真結(jié)果。

圖6 不同織構(gòu)刀具的切削溫度值

由圖可知，織構(gòu)刀具的切削溫度均小于無織構(gòu)刀具；與無織構(gòu)刀具相比，三角形截面織構(gòu)刀具、矩形截面織構(gòu)刀具、圓弧形截面織構(gòu)刀具、正梯形截面織構(gòu)刀具和倒梯形截面織構(gòu)刀具的切削溫度分別減小了14.4%，15.6%，5.7%，17.1%，14.8%。經(jīng)過分析，織構(gòu)的存在減小了刀-屑接觸面積，使織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦熱小于無織構(gòu)刀具；在所有織構(gòu)刀具的織構(gòu)參數(shù)相同的情況下，刀-屑界面摩擦熱應(yīng)當(dāng)相同，但是，不同截面形狀的散熱面積不同，導(dǎo)致切削溫度不同，其中正梯形截面織構(gòu)刀具的截面面積最大，更有利于散熱，所以正梯形截面織構(gòu)刀具的切削溫度最低。

3.3 刀具應(yīng)力

金屬切削過程中，刀-屑界面發(fā)生劇烈的相互作用，切屑對刀具前刀面產(chǎn)生很大的力，刀具的刀-屑界面內(nèi)存在較大應(yīng)力，會使刀具材料受到破壞，從而導(dǎo)致刀具使用壽命下降。因此，對切削過程中的刀具應(yīng)力進行分析是研究刀具切削性能的必要工作。本仿真選取切削過程中刀具的最高應(yīng)力，分析不同織構(gòu)截面形狀對織構(gòu)刀具切削性能的影響。圖7為各刀具的應(yīng)力仿真結(jié)果。圖8為各類刀具的應(yīng)力仿真分布。

圖7 不同刀具的應(yīng)力值

由圖7可知，有織構(gòu)刀具的應(yīng)力均小于無織構(gòu)刀具；與無織構(gòu)刀具相比，三角形截面織構(gòu)刀具、矩形截面織構(gòu)刀具、圓弧形截面織構(gòu)刀具、正梯形截面織構(gòu)刀具和倒梯形截面織構(gòu)刀具的刀具應(yīng)力分別減小了14.7%，17.3%，5.8%，17.3%，15%。經(jīng)分析，圓弧形截面織構(gòu)刀具的織構(gòu)邊緣較尖銳，容易形成應(yīng)力集中，所以圓弧形截面織構(gòu)刀具的應(yīng)力值比其他織構(gòu)刀具大。

由圖8可知，刀具織構(gòu)的存在使其應(yīng)力分布梯度優(yōu)于無織構(gòu)刀具。

(a)無織構(gòu)刀具

4 結(jié)語

通過建立不同截面形狀硬質(zhì)合金織構(gòu)刀具切削45鋼的二維正交切削模型，分析了相同織構(gòu)參數(shù)時的不同織構(gòu)截面形狀(三角形、矩形、圓弧形、正梯形和倒梯形)織構(gòu)刀具的切削性能，得出如下結(jié)論。

(1)在織構(gòu)參數(shù)相同的條件下，織構(gòu)截面形狀對織構(gòu)刀具切削性能有影響。

(2)三角形截面織構(gòu)刀具、矩形截面織構(gòu)刀具、圓弧形截面織構(gòu)刀具、正梯形截面織構(gòu)刀具和倒梯形截面織構(gòu)刀具在所選工況條件下，其主切削力、切削溫度和刀具應(yīng)力均小于無織構(gòu)刀具。

(3)矩形截面織構(gòu)刀具的主切削力最小，與無織構(gòu)刀具相比，減小了4.2%；正梯形截面織構(gòu)刀具的切削溫度最小，與無織構(gòu)刀具相比，減小了17.1%；正梯形截面織構(gòu)刀具的應(yīng)力最小，與無織構(gòu)刀具相比減小了17.3%。

(4)織構(gòu)刀具的主切削力曲線比無織構(gòu)刀具主切削力曲線波動小。

(5)織構(gòu)刀具的應(yīng)力分布梯度優(yōu)于無織構(gòu)刀具的應(yīng)力分布。