不同形貌微織構(gòu)鈦合金切削刀具性能比較研究

祁志旭　陳興媚　劉洋　王利

關(guān)鍵詞：切削刀具;微織構(gòu)刀具;鈦合金;有限元;層次分析

中圖分類號(hào)：TG506.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01002

在切削加工過程中，刀具前刀面與切屑之間的高速相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致切屑-刀具界面處產(chǎn)生了較高的切削溫度和強(qiáng)烈的摩擦，使刀具產(chǎn)生了難以消除的磨損，影響刀具的使用壽命和工件的表面質(zhì)量。尤其是在切削鈦合金等難加工材料的過程中，切屑嚴(yán)重黏附于刀具表面，導(dǎo)致刀具磨損更甚，嚴(yán)重影響工件表面的完整性[1]。因此，改善刀-屑界面的摩擦行為對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命、提高切削效率和加工精度等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從刀具材料設(shè)計(jì)[2]、刀具涂層技術(shù)[3]、冷卻潤(rùn)滑技術(shù)[4]和刀具表面技術(shù)[5]等方面展開了大量的研究。其中刀具表面技術(shù)是改善刀-屑界面摩擦特性的低成本、高性能的有效途徑之一，表面織構(gòu)就是刀具表面技術(shù)的典型應(yīng)用。仿生學(xué)和表面織構(gòu)摩擦學(xué)研究表明，表面織構(gòu)的應(yīng)用可以改變摩擦學(xué)性能，為改善摩擦行為提供了一種新途徑。

在使用微織構(gòu)刀具切削過程中，切削力、切削溫度、刀具磨損和工件殘余應(yīng)力等是衡量微織構(gòu)刀具切削性能優(yōu)劣的關(guān)鍵[6-10]，改變織構(gòu)形貌和織構(gòu)幾何參數(shù)是提升刀具切削性能的有效手段。KISHAWY等[6]設(shè)計(jì)了適用于任何加工材料、刀具幾何狀態(tài)和加工參數(shù)的微織構(gòu)刀具優(yōu)化分析模型，并結(jié)合AISI1045鋼管的切削驗(yàn)證了分析模型的有效性，結(jié)果表明，與無織構(gòu)刀具相比，最佳結(jié)構(gòu)分布的微織構(gòu)能夠有效消除衍生切削和降低切削過程中的切削力。YANG等[7-8]通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真技術(shù)分別研究了微坑織構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)切削溫度和切削力的影響，得到了分別以切削溫度和切削力為單一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的兩組微坑織構(gòu)最佳幾何參數(shù)組合。以上研究均只討論了不同織構(gòu)形貌同一幾何參數(shù)或同一織構(gòu)形貌不同織構(gòu)幾何參數(shù)的微織構(gòu)刀具在確定的切削參數(shù)下對(duì)單一切削性能要素的影響，并沒有通過研究織構(gòu)刀具在不同切削參數(shù)下對(duì)多種切削性能要素的影響來判斷刀具切削性能的優(yōu)劣。

佟欣等[9]利用實(shí)驗(yàn)和仿真技術(shù)深入研究了微織構(gòu)幾何參數(shù)變化對(duì)銑削過程中的銑削力、銑削溫度、刀具磨損和刀具前刀面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)變密度微織構(gòu)刀具的銑削性能優(yōu)于均勻分布密度的微織構(gòu)刀具;并通過模糊綜合評(píng)價(jià)確定了最優(yōu)的織構(gòu)分布密度。雖然該研究比較全面地分析了微織構(gòu)參數(shù)對(duì)多個(gè)切削性能要素的影響，但是仍然是在單一織構(gòu)形貌和確定的切削參數(shù)下的分析研究。

OLLEAK等[10]建立了不同形貌的微織構(gòu)刀具切削鈦合金的三維有限元模型，從切削過程中的切削力、溫度、應(yīng)力等方面，比較全面地分析了不同織構(gòu)形貌對(duì)多個(gè)切削性能要素的影響，能夠較為直觀地了解到何種形貌的微織構(gòu)適合此環(huán)境的鈦合金切削。但由于使用單一切削參數(shù)進(jìn)行研究，并不能夠觀察在切削參數(shù)變化的情況下，織構(gòu)刀具對(duì)切削性能的影響。目前也很少檢索到關(guān)于研究不同形貌的微織構(gòu)刀具在不同切削參數(shù)條件下對(duì)切削性能影響的報(bào)道。尤其是在鈦合金切削領(lǐng)域，微織構(gòu)形貌和切削參數(shù)的變化直接影響加工效率和工件精度，合適的微織構(gòu)形貌更有利于刀具在切削鈦合金過程中切削性能的提升[5]。因此研究不同形貌微織構(gòu)刀具在不同的切削參數(shù)下切削鈦合金，以研究刀具的切削性能是有一定的必要性。

本研究將運(yùn)用數(shù)值模擬的手段分別揭示微織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具在不同切削參數(shù)下對(duì)鈦合金切削過程中的切削力、切削溫度和刀具磨損等切削要素的影響，并運(yùn)用層次分析法確定適合鈦合金切削環(huán)境的微織構(gòu)刀具類型，以期為微織構(gòu)刀具設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 微織構(gòu)刀具切削有限元模擬

1.1 微織構(gòu)刀具設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)微織構(gòu)刀具的研究文獻(xiàn)，結(jié)合切削材料的特殊性和微織構(gòu)刀具制造的可行性，本次研究選用NMYGFD 硬質(zhì)合金刀具[11]并選取了3種微織構(gòu)形貌?；赟olid Works構(gòu)建了凹坑（T-K）、V形凹槽（T-V）、環(huán)形凹槽（T-H）和無織構(gòu)（T-N）刀具的三維模型，且微織構(gòu)刀具的刃邊距和織構(gòu)間距均為100 μm。刀具具體參數(shù)如表1所示。

1.2 切削模型與網(wǎng)格設(shè)計(jì)

考慮到正交切削的特點(diǎn)與模擬計(jì)算的時(shí)間和準(zhǔn)確性，本研究構(gòu)建刀具和工件部分切削模型。刀具和工件的尺寸分別為2.5 mm×2 mm×1 mm 和5 mm×4.5 mm×2.5 mm?；诘毒吆凸ぜ叽?，將正交切削簡(jiǎn)化為以工件固定，刀具直線運(yùn)動(dòng)的切削形式，并通過DEFORM-3D進(jìn)行切削模擬。如圖1 a）所示。對(duì)于刀具和工件的網(wǎng)格劃分采用四面體單元。為保證計(jì)算的精度和效率，對(duì)刀具微織構(gòu)和工件切削部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，如圖1 b）區(qū)域Ⅰ和Ⅱ。刀具和工件的網(wǎng)格信息如表2所示。

2 仿真結(jié)果分析與討論

2.1 切削力仿真結(jié)果分析

圖3為不同切削參數(shù)下的切削力的變化趨勢(shì)?？梢钥闯霎?dāng)進(jìn)給量和背吃刀量一定時(shí)，微織構(gòu)刀具T-V，T-H 和T-K在切削過程中的切削力隨切削速度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，而無織構(gòu)刀具T-N 在切削過程中的切削力隨切削速度的增大而增大的變化趨勢(shì)。這是由于在普通切削速度的條件下，隨著切削速度的增大，切屑卷曲程度加大，微織構(gòu)刀具的刀-屑接觸面積減小，降低了摩擦力，使得切削力逐漸變小，但當(dāng)速度大于1 050 mm/s后，材料的應(yīng)變速率上升導(dǎo)致鈦合金屈服強(qiáng)度變大占據(jù)主導(dǎo)地位，使得切削力呈現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。而無織構(gòu)刀具的切削力主要由材料切削過程中的屈服強(qiáng)度占據(jù)主導(dǎo)，故呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給量和切削速度一定時(shí)，4種不同形貌的微織構(gòu)刀具在切削過程中的切削力均隨背吃刀量的增加而增加，當(dāng)背吃刀量和切削速度一定時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，刀具在切削過程中的切削力同樣呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)。主要原因是在于背吃刀量或進(jìn)給量的增加導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)切除材料增多，使切屑變寬或變厚，使刀具與切屑的摩擦增大，刀具磨損加劇，最終切削力增大。以凹槽微織構(gòu)刀具切削為例，刀具在不同背吃刀量下穩(wěn)態(tài)切削過程中的切屑形態(tài)如圖4所示。圖中明顯可以看出隨著背吃刀量的增加，切屑寬度增加，切削力反映在圖3 b）中即為逐漸增加趨勢(shì)。

由圖3還可以看出，在改變切削速度進(jìn)行切削的過程中，微織構(gòu)刀具中刀具T-H 的切削力最低，其次是刀具T-V，刀具T-K 最大，同時(shí)也能夠看出在改變切削參數(shù)進(jìn)行切削時(shí)，微織構(gòu)刀具對(duì)鈦合金切削過程中的切削力并沒有明顯的改善作用。這與其他研究人員的結(jié)論不一致，主要原因在于微織構(gòu)刀具的織構(gòu)參數(shù)對(duì)切削力有顯著影響，本次研究針對(duì)的3種微織構(gòu)均是確定的唯一織構(gòu)參數(shù)，在切削過程中該參數(shù)的微織構(gòu)可能對(duì)材料造成了二次切削以及微織構(gòu)有效性降低等情況[17]。

2.2 切削溫度仿真結(jié)果分析

在切削過程中所消耗的能量絕大部分會(huì)以不同形式轉(zhuǎn)化為熱量，過高的切削溫度會(huì)直接影響工件的表面質(zhì)量和刀具的使用壽命，研究切削溫度的變化規(guī)律對(duì)提高刀具切削性能和工件表面質(zhì)量具有明顯的實(shí)際意義。圖5為切削鈦合金過程中刀具的溫度分布（v=850 mm/s，a=0.8 mm，f=0.15 mm/r，Step 400）。可以看出刀具T-V，T-H 和T-K切削最高溫度均低于刀具T-N，且未出現(xiàn)大面積的高溫區(qū)域，只在距離切削刃一段距離的某些點(diǎn)出現(xiàn)最高溫度，然后以此為中心向四周逐漸遞減，而刀具T-N則出現(xiàn)大面積高溫區(qū)域，并以此為中心向四周逐漸遞減，可以看出微織構(gòu)刀具對(duì)切削溫度的分布具有一定的改善作用。

不同切削參數(shù)下的切削溫度的變化如圖6所示，隨著切削速度或進(jìn)給量的增加，刀具切削溫度逐漸增大;隨著背吃刀量的增加刀具T-K 和T-N 的切削溫度逐漸增加，而刀具T-V 和T-H 的切削溫度先增加后減小。這主要是因?yàn)榍邢魉俣取⒈吵缘读亢瓦M(jìn)給量的增加會(huì)導(dǎo)致刀具與切削的摩擦力、單位時(shí)間材料切除量和切削力等的增加，進(jìn)而切削溫度逐漸升高，而刀具T-V 和T-H 在背吃刀量增加到1.2 mm 之后切削溫度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，主要是由于凹槽微織構(gòu)的存在隨著切削厚度的增加切屑更易卷曲斷裂，帶走部分熱量，切屑卷曲程度可從圖4中體現(xiàn)。

圖6表明，微織構(gòu)刀具的切削溫度低于無織構(gòu)刀具，主要是因?yàn)槲⒖棙?gòu)的存在使得刀-屑間的接觸成為間斷接觸且易卷曲斷裂，刀-屑接觸時(shí)間較短，使切屑帶走更多的切削熱。但不同類型的微織構(gòu)刀具對(duì)切削面的降溫效果存在明顯差異。隨著切削速度或進(jìn)給量的增加，T-V 刀具的切削溫度最低，其降溫效果最好，與無織構(gòu)刀具相比，降溫25% ～37%;但隨著背吃刀量的增加，T-H 刀具表現(xiàn)出較好的降溫效果。

2.3 刀具磨損結(jié)果分析

圖7顯示了刀具磨損分布情況（v=850 mm/s，a=0.8 mm，f=0.15 mm/r，Step=800）。4種刀具磨損均出現(xiàn)在切削刃附近，由中部向四周逐漸減小;且微織構(gòu)刀具磨損小于無織構(gòu)刀具，其中刀具T-V的耐磨性表現(xiàn)得最為優(yōu)秀，磨損程度在刀具表面的分布情況優(yōu)于其他3種刀具。

本次研究以穩(wěn)態(tài)切削中第800步的累積磨損量為研究對(duì)象。刀具磨損的變化趨勢(shì)如圖8所示。圖中隨著單一切削參數(shù)的改變，刀具磨損量隨著參數(shù)值的增大而增大，并且刀具T-V 和T-H 的耐磨性總體表現(xiàn)優(yōu)于刀具T-N 和T-K，其中刀具T-V 耐磨性能最好，刀具T-N 耐磨性最差，相比之下刀具T-V 在切削過程中能將刀具磨損量減小27% ～39%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是微織構(gòu)的存在減小了刀-屑接觸面積進(jìn)而使刀-屑間摩擦力變小，并且微溝槽的存在減緩了鈦合金的黏附程度，避免了更大程度的月牙洼磨損，致使微溝槽刀具表現(xiàn)出最好的耐磨性，同時(shí)在對(duì)刀具切削溫度分析可知，在切削過程中T-V 和T-H 刀具的切削溫度低于T-N 和T-K刀具，這也是T-V 和T-H 刀具具有優(yōu)異耐磨性的原因之一。

3 不同微織構(gòu)形貌刀具切削性能綜合評(píng)價(jià)

3.1 層次結(jié)構(gòu)模型及切削性能判斷矩陣建立

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，各微織構(gòu)對(duì)刀具切削性能的影響程度各不相同，無法單獨(dú)從某一方面去評(píng)價(jià)微織構(gòu)類型對(duì)刀具切削性能的影響。本文將利用層次分析法對(duì)影響刀具切削性能的微織構(gòu)進(jìn)行權(quán)重分析，以期能較好地反映出各微織構(gòu)對(duì)刀具切削性能的不同影響程度。

根據(jù)圖9層次結(jié)構(gòu)模型，利用1～9標(biāo)度法[18]對(duì)各因素進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造準(zhǔn)則層判斷矩陣B_m=[b_ij]_n×n，其中，m 為層次數(shù)，n 為因素?cái)?shù)，并且b_ji=1/b_ij。b_ij 的取值和含義如表4所示[18]。準(zhǔn)則層判斷矩陣如式（3）所示。

仿真過程中，無織構(gòu)刀具在切削過程中具有較小的切削力，凹槽織構(gòu)刀具在切削過程中抗磨損性能和降溫效果較好。以第3節(jié)仿真數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別在準(zhǔn)則層的切削力、切削溫度和刀具磨損量因素下比較無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具對(duì)切削力、切削溫度和刀具磨損量的影響程度，建立方案層判斷矩陣如表5所示。

3.2 權(quán)重求解及一致性檢驗(yàn)

對(duì)準(zhǔn)則層和方案層判斷矩陣作歸一化處理，并將歸一化處理后的矩陣按行相加，再進(jìn)一步進(jìn)行歸一化處理得到最大特征向量，即為準(zhǔn)則層和方案層的排序權(quán)重[18]。通過計(jì)算準(zhǔn)則層和方案層判斷矩陣的最大特征根，采用隨機(jī)一致性比率CR 作為一致性評(píng)價(jià)要素（如式（4）所示），若CR≤0.1，即可認(rèn)為該判斷矩陣具有較為滿意的一致性。

準(zhǔn)則層和方案層的排序權(quán)重和一致性檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。表中判斷矩陣均具有較為滿意的一致性，并且可以看出準(zhǔn)則層中刀具磨損量對(duì)切削性能的影響最大，切削力次之，切削溫度最小。方案層中無織構(gòu)刀具對(duì)切削力的影響最大，微槽織構(gòu)刀具對(duì)切削溫度和刀具磨損量的影響最大。

3.3 刀具性能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)方案層權(quán)重的計(jì)算，能夠得到新的方案層矩陣C，如式（5）所示。

由式（6）得到刀具切削性能評(píng)價(jià)結(jié)果T =[0.182 7，0.121 3，0.288 2，0.407 8]。由計(jì)算結(jié)果可知，T-V刀具中V 形凹槽織構(gòu)刀具切削性能優(yōu)于其他3種刀具。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在切削鈦合金過程中，微織構(gòu)刀具切削溫度和刀具磨損量均優(yōu)于無織構(gòu)刀具。

2）微織構(gòu)的存在對(duì)切削溫度分布具有一定的改善作用，且隨著切削速度或進(jìn)給量的增加，V 形凹槽織構(gòu)刀具（T-V）的切削溫度最低，與無織構(gòu)刀具（T-N）相比，降溫25%～37%;但隨著背吃刀量的增加，環(huán)形凹槽織構(gòu)刀具（T-H）表現(xiàn)出較好的降溫效果。

3）V 形凹槽織構(gòu)刀具（T-V）的耐磨性表現(xiàn)得最為優(yōu)秀，磨損程度在刀具表面的分布情況優(yōu)于其他3種刀具，與無織構(gòu)刀具（T-N）相比，刀具磨損量減小27%～39%。

4）通過對(duì)刀具切削性能的綜合評(píng)價(jià)，V 形凹槽織構(gòu)刀具（T-V）表現(xiàn)出了較好的切削性能，微坑織構(gòu)刀具的切削性能較差。

5）微織構(gòu)刀具切削過程中的切削力與微織構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)，在此次研究中該參數(shù)下的微織構(gòu)對(duì)切削力沒有明顯的改善效果，在之后的研究中筆者將持續(xù)關(guān)注基于降低切削力的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題。