基于Deform-3D的微織構(gòu)刀具銑削CE11高硅鋁合金磨損仿真

伍桂兵，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(guó)航空航天、汽車(chē)制造及精密電子等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)于關(guān)鍵部件材料的性能要求也越來(lái)越高。高硅鋁合金由于具有較小比重、較低熱膨脹系數(shù)、較高熱導(dǎo)率、良好的剛度及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[1]，被廣泛運(yùn)用在汽車(chē)關(guān)鍵配件、航空傳動(dòng)件和傳感器載體等方面。但在高硅鋁合金加工過(guò)程中，其高熱敏感性以及硅顆粒嚴(yán)重影響刀具表面耐磨性和刀具使用壽命[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同方向?qū)Φ毒叩牧W(xué)性能、耐磨性及壽命進(jìn)行了優(yōu)化提升分析，目前主要從刀具涂層、刀具結(jié)構(gòu)、切削液和刀具材料等方面進(jìn)行研究[3，4]。由于切削液不利于環(huán)保，且采用涂層、改變刀具材料與結(jié)構(gòu)會(huì)增加成本，因此，基于仿生學(xué)的微織構(gòu)技術(shù)逐漸獲得青睞，微織構(gòu)技術(shù)是利用激光技術(shù)在刀具刀面雕刻出特定紋路和圖案(見(jiàn)圖1)，該紋路可以改變刀具與工件的接觸面積、改變切屑的流動(dòng)方向，有效減小黏結(jié)物，有利于提高刀具耐磨性和切削性能。

本文運(yùn)用正交試驗(yàn)法，基于Deform仿真軟件對(duì)微織構(gòu)刀具銑削高硅鋁合金進(jìn)行磨損仿真，并通過(guò)加工試驗(yàn)檢驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以此探究銑削CE11高硅鋁合金時(shí)不同尺寸微織構(gòu)植入刀具對(duì)其磨損的影響。

圖1 切削受力分析

2 微織構(gòu)摩擦理論

在切削過(guò)程中，刀具必須同時(shí)克服和切屑、工件摩擦變形產(chǎn)生的剪切力。作用于切屑的力可以分為兩個(gè)部分：刀具前刀面對(duì)切屑的壓力Fn和摩擦力Ff；作用于工件剪切面上的正壓力Fns與剪切力Fs。

如圖1所示，設(shè)刀具切削厚度、寬度和刀具前角分別是ac，aw，γo，可計(jì)算得到刀具切削剪切面的剖面積As=acaw/sinφ，假設(shè)工件材料剪切屈服強(qiáng)度是Zs，則切削加工時(shí)切屑剪切面受到的剪切力為

(1)

式中，F(xiàn)s為剪切力；As為實(shí)際接觸面積；φ為剪切角；τs為材料屈服強(qiáng)度。

由刀—屑雙區(qū)摩擦理論可知，前刀面和切屑的摩擦可分為滑動(dòng)區(qū)間和黏結(jié)區(qū)間[5]。如圖2所示，假設(shè)圖中O點(diǎn)是刀尖，OB為刀—屑接觸面，則可以將OB劃分為滑動(dòng)區(qū)間AB和黏結(jié)區(qū)間OA，而黏結(jié)區(qū)間內(nèi)摩擦剪切應(yīng)力約等于材料的剪切極限應(yīng)力，因而刀—屑摩擦應(yīng)力為

(2)

式中，?為冪指數(shù)；lc為接觸長(zhǎng)度。

由上式可得，刀具受到的剪切力與接觸面積和接觸長(zhǎng)度有關(guān)，在設(shè)計(jì)微織構(gòu)刀具時(shí)，應(yīng)通過(guò)減少刀具前刀面與切屑的接觸長(zhǎng)度和有效接觸面積來(lái)改善刀具的切削性能。微織構(gòu)使刀—屑接觸面積以及摩擦產(chǎn)生的熱量降低，并且微織構(gòu)改變了切屑的流動(dòng)方向，使切屑流出時(shí)被織構(gòu)邊緣二次切割[6]，有效減少了黏結(jié)物，從而改善了刀具和切屑之間的摩擦力。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究表明，橫向溝槽微織構(gòu)比縱向溝槽微織構(gòu)更能改善刀具磨損。因此，本文選擇橫向表面織構(gòu)[7]。

圖2 刀—屑接觸面應(yīng)力特征

3 仿真設(shè)計(jì)

3.1 正交方案設(shè)計(jì)

因微織構(gòu)寬度和間距能夠改變刀具與工件的接觸面積和有效接觸長(zhǎng)度，而間距大小會(huì)影響空氣流通量以及帶走的熱量，所以本文主要研究溝槽形微織構(gòu)寬度、間距和深度對(duì)銑刀切削性能和刀具磨損的影響，選擇微織構(gòu)寬度、間距和深度作為正交試驗(yàn)三因素，并確定三水平變量進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終因素水平設(shè)計(jì)如表1所示。三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。其中，第10組為無(wú)微織構(gòu)參照組。

表1 正交試驗(yàn)因素水平 (μm)

3.2 建立工件和刀具模型及劃分網(wǎng)格

如圖3所示，在Solidworks軟件中建立一段長(zhǎng)15mm左右的銑刀模型，材料選用GU20硬質(zhì)合金，然后導(dǎo)入Deform軟件。工件模型尺寸為100mm×10mm×10mm(見(jiàn)圖4)。通過(guò)查閱金屬切削手冊(cè)和依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定背吃刀量和側(cè)吃刀量均為8mm，銑削轉(zhuǎn)速n=3000r/min，進(jìn)給速度f(wàn)=1200mm/min。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) (μm)

圖3 銑刀模型

圖4 工件模型

刀具和工件模型都采用相對(duì)網(wǎng)格劃法，網(wǎng)格數(shù)設(shè)為50000個(gè)，并將網(wǎng)格尺寸比設(shè)為1(見(jiàn)圖5)。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.3 磨損仿真結(jié)果

將表2中的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入Deform軟件中進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用Minitab軟件對(duì)前9組正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以擬合出關(guān)于微織構(gòu)參數(shù)(寬度、間距和深度)的刀具切削數(shù)學(xué)模型。

令A(yù)，B，C分別表示微織構(gòu)的寬度、間距和深度，對(duì)刀具磨損量進(jìn)行回歸擬合分析，可得

M=0.0831+0.000698A+0.000020B-0.00189C

(3)

如表4所示，通過(guò)對(duì)刀具累積最大磨損量的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行方差分析可以得出，除寬度對(duì)回歸方程P值小于0.05，其他因素均大于0.05，因此預(yù)測(cè)模型是不顯著的，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析得出相對(duì)最優(yōu)組合。

表4 刀具累計(jì)最大磨損量方差分析

對(duì)前9組實(shí)驗(yàn)刀具累積磨損結(jié)果采用直觀分析法進(jìn)行分析，刀具累積最大磨損量分析結(jié)果如表5所示。

表5 刀具累積最大磨損量直觀分析

由表5可得：①因素A(微織構(gòu)寬度)對(duì)刀具磨損的影響中A2水平最優(yōu)，即微織構(gòu)寬度為100μm時(shí)相較于其他兩組水平參數(shù)更能降低切削時(shí)工件對(duì)刀具的磨損；②因素C(微織構(gòu)深度)對(duì)刀具磨損的影響最重要，而且取C3(微織構(gòu)深度為70μm時(shí))相對(duì)更能降低切削時(shí)工件對(duì)刀具的磨損；③因素B(微織構(gòu)間距)對(duì)刀具磨損的影響中B3水平最優(yōu)，即微織構(gòu)間距為150μm時(shí)相較于其他兩組水平參數(shù)更能降低切削時(shí)工件對(duì)刀具的磨損。

通過(guò)分析可以得出，微織構(gòu)寬度對(duì)刀具累積最大磨損量的影響最大，當(dāng)微織構(gòu)寬度、深度、間距分別為100μm，70μm，150μm時(shí)，刀具的累積磨損最小，對(duì)延長(zhǎng)使用壽命有一定積極作用。

4 刀具磨損試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 微織構(gòu)刀具制備及試驗(yàn)設(shè)備

刀具材料為GU20硬質(zhì)合金，主要由90%碳化鎢和10%鈷黏結(jié)劑組成，采用激光打標(biāo)，對(duì)刀具前刀面按照正交試驗(yàn)參數(shù)制備微織構(gòu)(見(jiàn)圖6)。

試驗(yàn)設(shè)備選用CNC-1270加工中心，工件采用Osprey Metal生產(chǎn)的CE11高硅鋁合金。磨損檢測(cè)設(shè)備選用INSIZE數(shù)碼測(cè)量顯微鏡。每組銑刀加工結(jié)束后，通過(guò)測(cè)量前刀面的磨損量來(lái)分析微織構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響。具體試驗(yàn)步驟為：將刀具放置在數(shù)碼顯微鏡下，變焦調(diào)距后觀察顯示器，選擇多點(diǎn)和刀具切削刃的距離進(jìn)行測(cè)量，如圖7所示，定位后利用軟件依次測(cè)量多個(gè)點(diǎn)。

圖6 微織構(gòu)銑刀

圖7 磨損測(cè)量

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

多次測(cè)量磨損面寬度后，將計(jì)算結(jié)果的平均值作為刀具累積磨損值。測(cè)量值見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)仿真對(duì)照

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，試驗(yàn)/仿真的比值大約為7：1。試驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值的相對(duì)誤差大約控制在0.85，分析誤差的存在可能與微織構(gòu)打標(biāo)精度和試驗(yàn)環(huán)境等因素有關(guān)，但大致規(guī)律與仿真相同，驗(yàn)證了Deform軟件對(duì)微織構(gòu)刀具仿真的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在刀具表面加工出一定尺寸、形狀的微型結(jié)構(gòu)陣列能改變加工過(guò)程中刀—屑接觸面的摩擦情況，合理的微型結(jié)構(gòu)對(duì)減小刀具磨損和延長(zhǎng)刀具使用壽命有重要意義。

(2)經(jīng)過(guò)Deform軟件對(duì)微織構(gòu)刀具進(jìn)行磨損仿真分析，由試驗(yàn)結(jié)果得出，微織構(gòu)寬度對(duì)刀具累積最大磨損量的影響最大，當(dāng)微織構(gòu)寬度、深度、間距分別為100μm，70μm，150μm時(shí)，刀具的累積磨損量最小，對(duì)延長(zhǎng)使用壽命有一定積極作用。

(3)對(duì)微織構(gòu)刀具磨損仿真結(jié)果進(jìn)行可行性驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了Deform軟件模擬微織構(gòu)刀具磨損情況的可行性與可靠性。