基于AdvantEdge的整硬鉆與淺孔鉆切削仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

嚴(yán)瑩，鄭俊杰，何云，王必永，韓占龍

1華東理工大學(xué)；2國(guó)宏工具系統(tǒng)(無錫)股份有限公司

1 引言

孔加工大約占整個(gè)機(jī)械加工量的三分之一，其中，鉆孔占25%左右，其余孔加工占13%左右。目前，鉆頭主要采用軸對(duì)稱的外形結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)切削刃，頂端橫刃在旋轉(zhuǎn)方向上存在一個(gè)扭轉(zhuǎn)(整硬鉆)[1]。而可轉(zhuǎn)位的非軸對(duì)稱鉆頭(淺孔鉆)與整硬鉆相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：不需要重新修磨或者備用鉆頭；只需要根據(jù)加工材料更換刀片；換刀方便，無須拆卸刀桿[2]。

與整硬鉆相同，淺孔鉆也有兩個(gè)切削刃，分別負(fù)責(zé)加工孔的內(nèi)側(cè)與外側(cè)。淺孔鉆的斷屑方式與整硬鉆不同，其刀片前刀面上設(shè)有一個(gè)斷屑槽，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的斷屑。由于整硬鉆結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何形狀存在不足，在加工大直徑孔時(shí)效率較低，在孔徑比<5時(shí)尤為明顯，隨著孔徑的增加，加工刀具一般會(huì)從整體鉆頭過渡到可轉(zhuǎn)位鉆頭，在過渡區(qū)間內(nèi)，鉆削相同直徑孔時(shí)兩者的加工性能各有不同[3]。

針對(duì)鉆削加工實(shí)驗(yàn)中的切削力、扭矩及孔徑偏差等因素，采用切削仿真軟件研究了相同直徑的整硬鉆和可轉(zhuǎn)位淺孔鉆在加工碳素鋼時(shí)的實(shí)際鉆削加工性能差異，為加工不同直徑孔碳素鋼的加工刀具選用提供了理論參考。

2 基于AdvantEdge軟件的有限元仿真

2.1 鉆頭結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中整硬鉆頭的結(jié)構(gòu)見圖1，其鉆頭直徑為φ21mm，鉆頭表面采用CrAlN PVD涂層，鉆頭的副切削角ξ=0.1°，鉆頭呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，刀桿柄部直徑為φ20mm，由ER刀柄夾持加工。

實(shí)驗(yàn)中可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的結(jié)構(gòu)見圖2。與整硬鉆頭不同，由于可轉(zhuǎn)位刀片的刀尖角度均為90°，淺孔鉆的副切削角ξ等于外刀片徑向角度α2。刀片后角為11°，斷屑槽在切削刃前刀面一側(cè)且設(shè)有0.12mm的棱帶，刀片涂覆經(jīng)PVD處理過的TiAlN涂層。上述兩種刀具的關(guān)鍵安裝參數(shù)見表1。

圖1 整硬鉆頭結(jié)構(gòu)

圖2 淺孔鉆及刀片結(jié)構(gòu)

表1 兩種鉆頭的安裝參數(shù)

2.2 參數(shù)設(shè)置

通過AdvantEdge有限元仿真軟件建立刀具庫(kù)和材料庫(kù)，采用自適應(yīng)劃分模型網(wǎng)格進(jìn)行仿真，可以求得應(yīng)力應(yīng)變、溫度等仿真參數(shù)[4]。復(fù)雜模型也可以通過導(dǎo)入.stl文件手動(dòng)修改網(wǎng)格屬性，從而提高仿真的精度和效率，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)及分析做準(zhǔn)備。

切削仿真旨在對(duì)比整硬鉆與淺孔鉆切削加工的差異，仿真模型分為工件和刀具兩部分，故對(duì)模型進(jìn)行以下設(shè)置。

(1)工件屬性：實(shí)際加工中，兩種鉆頭主要鉆削的材料為鋼，選用自帶材料庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)的碳素鋼C45(200HB)，工件長(zhǎng)寬為25mm×25mm。

(2)刀具屬性：兩種鉆頭為非標(biāo)準(zhǔn)件，將刀具模型轉(zhuǎn)換為.stp格式導(dǎo)入，刀具基體材料選用標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)合金，設(shè)置與實(shí)際相同的刀具涂層。為減少計(jì)算時(shí)間，只導(dǎo)入淺孔鉆的刀片進(jìn)行仿真，并設(shè)定相同的邊界條件。

(3)網(wǎng)格劃分：采用AdvantEdge自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，刃口與工件接觸部分網(wǎng)格較細(xì)，遠(yuǎn)離接觸部分網(wǎng)格變粗，最大網(wǎng)格單元尺寸為0.1mm，最小網(wǎng)格單元尺寸為0.002mm。

為獲得穩(wěn)定切削力和減少計(jì)算時(shí)間，直接從刀具主切削刃全部接觸開始鉆削，兩種刀具切削仿真如圖3所示。

圖3 兩種刀具的仿真

3 實(shí)驗(yàn)條件

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在DMG-NVD5000α1A立式加工中心上進(jìn)行硬質(zhì)合金整體鉆頭和可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的內(nèi)冷鉆削對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為保證良好的排屑，主軸冷卻液壓力設(shè)為10bar，采用200mm×150mm×45mm的碳素鋼(C45)工件，硬度為20.8HRC，碳素鋼的成分如表2所示。

表2 碳素鋼化學(xué)成分 (%)

使用Kistler 9255C三向電壓測(cè)力儀采集鉆削過程的切削力。儀器的靈敏度為0.01kN，XY量程為-30～+30kN，Z量程為0～60kN，扭矩為±200N·m。采用日本三豐的內(nèi)徑千分尺測(cè)量孔徑，量程為16～25mm，測(cè)量精度為1μm。

現(xiàn)場(chǎng)加工見圖4。實(shí)驗(yàn)刀具為φ21淺孔鉆和φ21麻花鉆，淺孔鉆刀桿為ZTD型號(hào)，底部安裝兩片硬質(zhì)合金S型刀片，通過側(cè)固刀柄連接在機(jī)床主軸，測(cè)量的實(shí)際切削直徑為21.006mm，加工碳素鋼的推薦參數(shù)為v=80～200m/min，f=0.05～0.09mm/r；麻花鉆基體材料為硬質(zhì)合金，通過ER夾頭連接主軸，測(cè)量的實(shí)際切削直徑為20.994mm，加工碳鋼推薦參數(shù)為v=80～120m/min，f=0.1～0.3mm/r。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)加工

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)比分析淺孔鉆與整硬鉆頭在相同加工參數(shù)下的加工性能。由于淺孔鉆結(jié)構(gòu)原因，進(jìn)給量f不能大于兩刀片高度差H，否則會(huì)引起內(nèi)刀片純擠壓切削，嚴(yán)重降低刀具壽命；整硬鉆頭的進(jìn)給量f不能小于刀具的鈍化值r，綜合推薦的切削參數(shù)見表3。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組參數(shù)鉆削加工5個(gè)孔。

表3 鉆削參數(shù)對(duì)比

測(cè)力儀獲得的實(shí)際加工切削力信號(hào)通過力電荷放大器傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，所有信號(hào)經(jīng)整理后傳遞給電腦，通過測(cè)力儀與Dynoware軟件對(duì)力信號(hào)進(jìn)行處理和分析，獲得實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)切削力數(shù)值。實(shí)驗(yàn)后，通過ZEISS EVO 18掃描電鏡與基恩士VHX-6000超景深顯微鏡進(jìn)行分析，其工作原理如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析原理

為了減小孔徑測(cè)量的誤差，實(shí)驗(yàn)使用電子內(nèi)徑千分尺，對(duì)每個(gè)孔采取固定的測(cè)量方法，即在孔深20mm處分別測(cè)量0°，45°，90°的孔徑，再選取平均值作為該參數(shù)下的孔直徑參考值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 軸向力與扭矩

圖6為兩種鉆頭的軸向力和扭矩對(duì)比。從測(cè)力儀數(shù)據(jù)(見圖6a)可以看出，整硬鉆的軸向力Fa有明顯波動(dòng)，這在淺孔鉆的鉆削中并未出現(xiàn)，主要原因是前者排屑效果不穩(wěn)定導(dǎo)致；從扭矩Mz看有不同的結(jié)果，因?yàn)闇\孔鉆徑向刀片的不對(duì)稱分布導(dǎo)致扭矩波動(dòng)幅值較整硬鉆大330%。

(a)

從圖6b可以看到，當(dāng)切削速度一定時(shí)，兩種鉆頭的軸向力Fa隨著進(jìn)給量的增加呈上升趨勢(shì)，淺孔鉆的軸向力僅為整硬鉆的45%，被認(rèn)為是整硬鉆鉆尖存在橫刃所導(dǎo)致。鉆削時(shí)橫刃首先接觸工件，產(chǎn)生的軸向力約占麻花鉆軸向力的50%～60%[5]，實(shí)際上，在有φ6預(yù)鉆孔的鉆削工作中，整硬鉆頭的軸向力明顯降低。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，兩者扭矩Mz隨進(jìn)給量f的上升而增加，整硬鉆的扭矩為淺孔鉆的1.3～2倍，可以認(rèn)為切削刃長(zhǎng)度是造成這些差異的主要原因。雖然淺孔鉆有兩個(gè)切削刃，但實(shí)際參與鉆削的切削刃較短(內(nèi)外刀片均獨(dú)立切削)，同時(shí)鉆尖端角度幾乎為180°，實(shí)際切削刃的長(zhǎng)度僅為整硬鉆的50%～55%，通常認(rèn)為，短切削刃鉆頭的扭矩和軸向力更小[6]。

隨切削速度的改變，兩種鉆頭的軸向力Fa和扭矩Mz的變化見圖7。

圖7 兩種鉆頭軸向力及扭矩隨切削速度v變化對(duì)比

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給量保持不變時(shí)，切削速度v從40m/min增加到120m/min，淺孔鉆軸向力Fa與扭矩Mz僅有5%的浮動(dòng)，不受切削速度的影響；對(duì)于整硬鉆頭，隨著切削速度的上升，軸向力Fa先減小后增大，在v=80m/min時(shí)，整硬鉆頭扭矩Mz出現(xiàn)異常點(diǎn)，從6.08N·m上升到12.58N·m，其主要原因是加工時(shí)的纏屑。同時(shí)觀測(cè)到孔壁出現(xiàn)大量的切屑劃痕，加工質(zhì)量明顯下降。因此可以認(rèn)為，在進(jìn)給量相同的條件下，淺孔鉆比整硬鉆更適合在較高的切削速度下進(jìn)行切削，排屑情況更好。

4.2 徑向力與孔徑偏差

當(dāng)切削速度v=120m/min時(shí)，改變進(jìn)給量時(shí)，兩種鉆頭鉆削時(shí)的徑向力Fr與孔測(cè)量直徑D的變化見圖8。

圖8 孔徑值與孔徑偏差分析

兩種鉆頭徑向力與切削參數(shù)的關(guān)系見圖9。整硬鉆在鉆削時(shí)的徑向力Fr比較穩(wěn)定，幾乎不隨切削速度v與進(jìn)給量f變化；淺孔鉆在鉆削時(shí)的徑向力Fr在低進(jìn)給量、高切削速度情況下更有優(yōu)勢(shì)。但是，隨著進(jìn)給量的增加，低切削速度反而能更好地抑制徑向力的增長(zhǎng)。整硬鉆頭的兩個(gè)切削刃在旋轉(zhuǎn)時(shí)完全重合，而淺孔鉆的內(nèi)外刀片徑向交錯(cuò)分布，在增加相同的進(jìn)給量時(shí)，淺孔鉆的每個(gè)切削刃的進(jìn)給增量為整硬鉆的2倍，故其徑向力隨著進(jìn)給量增加的變化較整硬鉆頭更為明顯[8]。當(dāng)切削速度v增加時(shí)，淺孔鉆的刀片交錯(cuò)分布也放大了鉆頭徑向力的不均衡，結(jié)合上述分析可知，淺孔鉆更適合低進(jìn)給量的加工工況。

圖9 兩種鉆頭徑向力在不同參數(shù)時(shí)的變化對(duì)比

4.3 切屑形貌

實(shí)際切屑情況如圖10所示，受內(nèi)外刀片的結(jié)構(gòu)影響，淺孔鉆切屑可以顯著地分為內(nèi)外兩種切屑，內(nèi)側(cè)切屑主要為崩碎或錐形螺旋屑(見圖10a～圖10d)，外側(cè)主要為單元屑或若干段錐形弧型連接屑(見圖10e～圖10h)；由于進(jìn)給量較小，整硬鉆頭的鈍圓半徑r重新修磨為0.025mm，在所有參數(shù)下，整硬鉆幾乎只產(chǎn)生帶狀和螺旋兩種類型的切屑(見圖10i和圖10j)。

圖10 兩種鉆頭的切屑形貌對(duì)比

兩種刀具仿真與實(shí)際鉆削所得切屑形貌有較高的相似度，對(duì)比情況如圖11所示。淺孔鉆的兩個(gè)刀片切屑流速變化不同，導(dǎo)致內(nèi)外切屑卷曲方式和卷曲半徑2ρ有較大差異，內(nèi)刀片主要為低速擠壓切削，卷曲半徑小、溫度較低；外刀片主要為高速摩擦切削，卷曲半徑大，溫度較高。整硬鉆頭的兩個(gè)切削刃中心對(duì)稱，切削工況幾乎沒有差異。兩種鉆頭產(chǎn)生的刀—屑接觸面都較為光滑，淺孔鉆切屑存在裂痕，整硬鉆切屑則存在大量微小犁溝，前者被認(rèn)為是發(fā)生了黏著磨損而導(dǎo)致切屑表面剝落，后者可以認(rèn)為是切削時(shí)出現(xiàn)積屑瘤，不規(guī)則的積屑瘤擠壓在切屑表面而形成微觀溝槽[9]。另一側(cè)(自由面)由于卷曲發(fā)生塑性變形生成褶皺，淺孔鉆自由面褶皺呈松散片狀，整硬鉆的褶皺則較為致密。切屑卷曲半徑不同是導(dǎo)致上述現(xiàn)象發(fā)生的主要原因，淺孔鉆卷曲半徑較大，自由面褶皺受到的形變更小，因此褶皺更松散。

圖11 兩種鉆頭的切屑仿真對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)過程中，相較于淺孔鉆的鉆削，整硬鉆發(fā)生纏屑情況并不常見，是否存在斷屑槽被認(rèn)為是引起這類現(xiàn)象的主要因素。鉆削過程中，斷屑槽能使切屑發(fā)生過量變形，從而引起斷裂[10]。由于無法在整硬鉆的前刀面設(shè)置斷屑槽，在鉆削深度為40mm孔時(shí)，切削液無法及時(shí)將切屑排出。為提高排屑效果，通常采用啄鉆的加工方式，但這也降低了加工效率，故在鉆削一定深度的孔時(shí)，淺孔鉆擁有更好的排屑效果。

4.4 刀具磨損

刀具的磨損通常由高溫和高壓等共同作用導(dǎo)致[11]。表4為淺孔鉆外刀片和整硬鉆的溫度和應(yīng)力仿真對(duì)比?？梢钥闯?，相比于淺孔鉆，整硬鉆的切削刃溫度更均勻，淺孔鉆刀片徑向分布結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致差異的主要原因[8]。由前刀面應(yīng)力云圖可以看出，淺孔鉆刀片存在斷屑槽，結(jié)合上述分析可知，鉆削過程中的流屑在斷屑槽上發(fā)生擠壓和摩擦，從而實(shí)現(xiàn)斷屑，應(yīng)力主要集中于前刀面；整硬鉆應(yīng)力主要集中于主切削刃和后刀面，且其應(yīng)力明顯大于淺孔鉆，主要原因是淺孔鉆的后角較大，更大的后角可以減少后刀面與工件的摩擦和擠壓。

表4 溫度與應(yīng)力云圖對(duì)比

圖12為兩種鉆頭的切削部分磨損對(duì)比。圖12a為整硬鉆的前刀面放大圖，圖12c為淺孔鉆外刀片前刀面放大圖，圖12d和圖12e為淺孔鉆外刀片的主、副后刀面放大圖，圖12b、圖12f、圖12g和圖12h依次對(duì)應(yīng)切削區(qū)域的SEM放大成像。根據(jù)被觀測(cè)物體表面元素的原子序列不同，SEM反射的電子成像對(duì)比度呈現(xiàn)不同的明暗色調(diào)，以區(qū)分物體表面的元素。切削磨損部分由深灰色、灰色和白色構(gòu)成，未參與切削的深灰色部分為刀具涂層，灰色部分經(jīng)元素檢測(cè)主要是Fe黏屑，白色部分則是硬質(zhì)合金刀片基體。整硬鉆前刀面(見圖12b)有400μm左右的涂層剝落，黏屑附著于裸露的刀具基體。因?yàn)闇\孔鉆的前刀面存在斷屑槽，因此磨損情況與整硬鉆有很大不同，涂層剝落大部分出現(xiàn)在斷屑槽后半部分，幾乎沒有出現(xiàn)黏屑情況。

圖12 兩種刀具的磨損對(duì)比

整硬鉆的后刀面通常是判斷鉆削性能的重要因素[12]，由于淺孔鉆刀片的副切削角ξ較大，刀片副后刀面(見圖12e)與工件接觸部分較小，容易產(chǎn)生積屑瘤?？梢钥闯觯瑑煞N鉆頭的磨損形式不同，淺孔鉆的磨損主要出現(xiàn)在前刀面，整硬鉆則需要研究前、后刀面的磨損情況。因此，淺孔鉆憑借在前刀面開有斷屑槽的結(jié)構(gòu)特性，相比于整硬鉆在碳鋼鉆削工作中更有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語

采用整硬鉆和淺孔鉆在不同參數(shù)下對(duì)碳鋼進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)合AdvantEdge有限元仿真，從切削力、孔徑偏差、切屑形貌以及刀具磨損等方面對(duì)比了兩種鉆頭的切削性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下。

(1)在所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，淺孔鉆的軸向力僅有整硬鉆45%左右，并且其不受切削速度變化的影響；整硬鉆的軸向力受切削速度影響較大，且在相同的切削參數(shù)下波動(dòng)更大。

(2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，淺孔鉆的扭矩普遍小于整硬鉆頭，后者更容易發(fā)生纏屑堵屑情況，造成扭矩突增，但從鉆削過程種看，淺孔鉆的扭矩波動(dòng)比整硬鉆大330%。

(3)對(duì)于孔徑來說，淺孔鉆的孔徑偏差較整硬鉆大，前者均大于鉆頭直徑，且與徑向力成線性關(guān)系，后者普遍小于鉆頭直徑。

(4)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，整硬鉆頭的切屑基本為帶狀和螺旋狀切屑；淺孔鉆斷屑效果更好，切屑主要為單元屑和C形屑，且排屑更流暢。

(5)淺孔鉆刀具磨損主要出現(xiàn)在前刀面(尤其是斷屑區(qū))，后刀面磨損較小；整硬鉆的前后刀面都有較大磨損，黏屑情況更嚴(yán)重。