微織構(gòu)硬質(zhì)合金立銑刀銑削高硅鋁合金的切削力研究

劉銳，周利平，劉小瑩，李凱

1西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2成都醫(yī)學(xué)院

1 引言

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械加工也朝著更高水平發(fā)展。對航天航空、醫(yī)療器械和精密儀器等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件加工顯得尤為重要，同時(shí)對加工方式以及加工刀具提出了更高的要求。高硅鋁合金因其較低的熱膨脹系數(shù)、高耐磨性及穩(wěn)定性，具有很好的發(fā)展前景[1]。但高硅鋁合金屬于難加工材料，加工時(shí)會增加刀具的切削力和切削溫度，因此很大程度上縮短了刀具的壽命，降低了加工質(zhì)量，增加了加工成本。

針對改善刀具切削性能的問題，學(xué)者們從不同方向進(jìn)行了相關(guān)研究，基于摩擦學(xué)和仿生學(xué)理論，提出了微織構(gòu)(微紋理)刀具。研究發(fā)現(xiàn)，在刀具表面置入微織構(gòu)能夠降低加工過程中的切削力和切削溫度[2-4]。但現(xiàn)有的微織構(gòu)刀具切削鋁合金相關(guān)研究僅分析了微織構(gòu)尺寸的寬度(直徑)、深度和間距三者中的兩個(gè)參數(shù)[5]，并未將三個(gè)參數(shù)進(jìn)行整體研究。目前針對微織構(gòu)的研究主要集中于對微織構(gòu)的制備技術(shù)[6]、不同潤滑下微織構(gòu)性能[7]、切削參數(shù)優(yōu)化等方面[8]，而對具有微織構(gòu)的整體式硬質(zhì)合金立銑刀研究較少。

為了研究微織構(gòu)參數(shù)對硬質(zhì)合金立銑刀銑削高硅鋁合金的切削力的影響，還需要對微織構(gòu)的寬度、深度和間距三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入研究。本文采用GU20硬質(zhì)合金刀具，運(yùn)用Deform-3D仿真軟件對微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具銑削高硅鋁合金進(jìn)行有限元仿真，并通過銑削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為加工高硅鋁合金的微織構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)化的參考。

2 有限元分析

有限元分析具有高效精確的數(shù)學(xué)算法，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)節(jié)省了研究時(shí)間，提高了工作效率。Deform-3D軟件主要運(yùn)用在切削加工、熱處理和鍛造等方面，擁有標(biāo)準(zhǔn)的刀具庫及材料庫，具有自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的功能，使得求解過程更加精準(zhǔn)，因此本文使用Deform-3D切削模塊進(jìn)行仿真分析。

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多時(shí)，可以選擇部分有代表性的水平組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)成本。通過對微織構(gòu)的參數(shù)變量分析，可以確定正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平。在微織構(gòu)立銑刀銑削高硅鋁合金實(shí)驗(yàn)中主要研究溝槽形微織構(gòu)寬度、間距和深度對加工過程切削力的影響，因此將微織構(gòu)的寬度、間距和深度作為正交實(shí)驗(yàn)的三個(gè)因素，并對每個(gè)因素確立三個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。通過前期查閱資料，最終確定正交實(shí)驗(yàn)水平參數(shù)如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平參數(shù) (μm)

在不考慮因素交互作用的情況下，按照L9(33)正交表安排實(shí)驗(yàn)，得到如表2所示的正交實(shí)驗(yàn)方案，其中，第10組為無微織構(gòu)對照組。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案 (μm)

3 有限元模型仿真

3.1 銑刀模型建立及網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks軟件建立微織構(gòu)立銑刀的三維模型(見圖1)，將刀具和工件模型保存為.stl文件并導(dǎo)入Deform-3D軟件，指定刀具和工件材料，其參數(shù)分別見表3和表4。

圖1 微織構(gòu)銑刀模型

表3 刀具材料(GU20)參數(shù)

表4 工件材料(高硅鋁合金)參數(shù)

切削用量決定了刀具的壽命和加工質(zhì)量。通過本實(shí)驗(yàn)室以往對高硅鋁合金CE11銑削研究，確定切削深度以及切削寬度為8mm，經(jīng)過前期研究及查閱金屬切削手冊可確定實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速為3000r/min，進(jìn)給速度為1200mm/min。由于本文僅研究微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對切削力的影響，在排除切削用量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響后，僅對這組切削用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

網(wǎng)格劃分決定實(shí)驗(yàn)精度，網(wǎng)格過大會使仿真結(jié)果不夠精準(zhǔn)，網(wǎng)格太小會使得計(jì)算時(shí)間太長?？紤]到切削參數(shù)及仿真時(shí)間，刀具和工件均采用相對網(wǎng)格劃分，工件網(wǎng)格數(shù)設(shè)為50000個(gè)，由于微織構(gòu)最小尺寸為50μm，因此刀具網(wǎng)格更細(xì)化，數(shù)量設(shè)為100000個(gè)，網(wǎng)格尺寸比設(shè)為1，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

網(wǎng)格劃分后，需要對工件進(jìn)行邊界條件設(shè)置。將工件底面、側(cè)面進(jìn)行固定約束，同時(shí)打開外部熱交換按鈕進(jìn)行設(shè)定，如圖3所示。

圖3 邊界條件設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

對正交實(shí)驗(yàn)方案的10組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行有限元仿真。仿真結(jié)束后，利用Deform自帶的后處理功能查看數(shù)據(jù)，如圖4所示，將數(shù)據(jù)存儲為文本格式以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過整理切削力數(shù)據(jù)見表5。

圖4 后處理切削力

表5 切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (N)

運(yùn)用MATLAB軟件繪制切削力值，變化趨勢如圖5所示。為了更加直觀地比較微織構(gòu)刀具和無微織構(gòu)刀具切削力值，用虛線表示第10組(無微織構(gòu)對照組)作為參考。

圖5 切削力變化

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，切削力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z之中，主切削力Fx變化最大，切深抗力Fz變化最小。此外，有微織構(gòu)刀具的切削力均明顯小于無微織構(gòu)刀具；根據(jù)計(jì)算可以得出主切削力Fx最多降低了16.6%，進(jìn)給抗力Fy最多降低了13.7%，切深抗力Fz最多降低了29.2%。

為了研究微織構(gòu)參數(shù)對硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響程度，結(jié)合正交試驗(yàn)方案表2對切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表5進(jìn)行極差分析，其中K1，K2，K3為該因素下(微織構(gòu)寬度、間距、深度)某一水平對應(yīng)的切削力之和，均按照水平值從小到大進(jìn)行分析，t1，t2，t3分別為K1，K2，K3的平均值，R為tmax和tmin的差值，R越大，表明對實(shí)驗(yàn)影響越大；R越小，則對實(shí)驗(yàn)影響越不顯著。令A(yù)為微織構(gòu)寬度，B為微織構(gòu)間距，C為微織構(gòu)深度，極差分析結(jié)果如表6所示。

通過表6對三個(gè)方向的切削力分析可得出以下結(jié)論：①微織構(gòu)深度(因素C)對硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)的切削力影響最大；②當(dāng)微織構(gòu)寬度為100μm(A2)時(shí)，降低切削力的效果均比當(dāng)微織構(gòu)寬度為50μm(A1)和150μm(A3)更顯著；③當(dāng)微織構(gòu)深度為70μm(C3)，微織構(gòu)寬度為100μm(A2)，微織構(gòu)間距為150μm(B3)時(shí)，主切削力Fx變化最??；④當(dāng)微織構(gòu)深度為70μm(C3)，微織構(gòu)寬度為100μm(A2)，微織構(gòu)間距為50μm(B1)時(shí)，進(jìn)給抗力Fy變化最??；⑤當(dāng)微織構(gòu)深度為60μm(C2)，微織構(gòu)寬度為100μm(A2)，微織構(gòu)間距為150μm(B3)時(shí)，切深抗力Fz變化最小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在CNC-1270加工中心對有限元仿真結(jié)果進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用YLP-30激光打標(biāo)器進(jìn)行微織構(gòu)的制備，制備完畢后對刀具進(jìn)行打磨以及超聲清洗，以保證微織構(gòu)的質(zhì)量，微織構(gòu)刀具如圖6所示。選用Kistler壓電測力儀測量切削力，將工件按照要求固定在壓電晶體傳感器上，通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)的交互作用，通過數(shù)據(jù)處理軟件將加工過程的切削力記錄下來，微織構(gòu)的參數(shù)及銑削實(shí)驗(yàn)條件與仿真分析條件保持一致。

表6 切削力極差分析

圖6 微織構(gòu)銑刀(第9組)

在上述條件下進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，利用Dynoware軟件截取穩(wěn)定切削區(qū)域的切削力平均值，則整個(gè)銑削過程的平均切削力如表7所示。

表7 切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (N)

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)存在差異，但誤差較小且切削力值的大小變化規(guī)律保持一致，說明仿真結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；通過對實(shí)驗(yàn)過程分析，銑削實(shí)驗(yàn)的誤差可能是由微織構(gòu)的精度、數(shù)據(jù)截取誤差和設(shè)備誤差等方面導(dǎo)致的。

5 結(jié)語

(1)通過微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具切削實(shí)驗(yàn)可以得出，在刀具表面合理布置微織構(gòu)能夠降低切削力，改善硬質(zhì)合金刀具的加工性能 ，其中微織構(gòu)刀具主切削力最大降低了16.6%，進(jìn)給抗力最多降低了13.7%，切深抗力最多降低了29.2%，有效解決了加工高硅鋁合金切削力增大的問題。

(2)微織構(gòu)的寬度、間距和深度對切削力的影響程度存在差異，其中微織構(gòu)的深度對切削力的影響最大。

(3)雖然仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得的切削力存在差異，但是差異較小，并且數(shù)據(jù)的趨勢保持一致，因此也證明了仿真結(jié)果的可靠性。