基于可換刀片U鉆刀具結構改進仿真分析

摘 要：為了提高U鉆刀具的鉆削性能，本文研究了U鉆的刀具結構。針對U鉆加工鈦合金難斷屑問題，提出了二平折線分屑槽刀具結構方案，采用AdvantEdge軟件建立了U鉆加工鈦合金的有限元模型并進行仿真分析，得到刀具的應力、溫度和速度云圖。仿真結果表明，本文提出的方案斷屑較好。最后采用可信的比較標準（例如加工過程中應力P和溫度T等的分布規(guī)律）進行評估，表明所提出的二平折線分屑槽刀具結構方案有效、可行。

關鍵詞：U鉆；刀具結構；AdvantEdge仿真

中圖分類號：TG 713" " 文獻標志碼：A

TC4鈦合金具有密度小、比強度大、抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐熱、耐低溫和無磁性等優(yōu)點，在兵器、航空航天、船舶和汽車等領域有廣泛應用。但是鈦合金導熱系數(shù)低、塑性差且彈性模量低，導致其鉆削性能較差。因此，研究鈦合金的鉆削性能具有重要意義。

國、內(nèi)外學者對TC4進行了鉆削仿真研究。馮杰等人利用有限元分析軟件Abaqus對TC4鈦合金薄壁件鉆削加工過程進行了動態(tài)仿真，獲得鉆削加工過程中鉆削力的變化特征和鉆削參數(shù)對鉆削力的影響規(guī)律；姜銘等人利用Abaqus有限元仿真軟件對鈦合金薄壁件鉆削進行分析，研究鉆頭刃型、幾何參數(shù)對鉆削軸向力和扭矩的影響；陳俐華等人研究了TC4鈦合金麻花鉆鉆削方式和軸向力分布規(guī)律；賈永鵬等用有限元軟件模擬了船用柴油機機身的深孔鉆削過程，得到了溫度的分布情況，研究了切削用量對鉆削溫度的影響規(guī)律[1]。

目前現(xiàn)有U鉆在斷屑方面存在難斷屑、不斷屑等特點，在一定程度上影響了其鉆削性能的發(fā)揮。為了進一步提高U鉆的鉆削性能，需要研制一種結構簡單、容易斷屑的U鉆。本文對U鉆的刀具結構進行了改進，應用AdvantEdge軟件建立了U鉆加工鈦合金的有限元模型，仿真得到優(yōu)化的U鉆刀具仿真云圖。并對仿真云圖進行研究，分析刀具結構改進對加工過程中應力P和溫度T等分布規(guī)律的影響，為同類刀具斷屑結構的設計提供理論依據(jù)和改進方向。

1 幾何模型的建立

1.1 幾何模型的建立概述

在NX中建立可換刀片U鉆刀具的結構模型。在鉆削過程中，斷屑機理變形過程包括2個部分，即鉆削產(chǎn)生的基本規(guī)律變形和鐵屑在流動、卷曲過程中產(chǎn)生的附加變形。改進前U鉆有斷屑槽，但是沒有分屑槽，斷屑效果不明顯。增加分屑槽，使鐵屑先產(chǎn)生犁溝基本變形規(guī)律，再斷屑，即將大鐵屑細小化。基于此，本文設計了有分屑槽的U鉆刀具的結構模型，改進后的刀具U鉆增加了二平折線分屑槽，如圖1所示。

1.2 鉆削參數(shù)、切削力的分析

U鉆鉆削軸類管材內(nèi)孔示意圖如圖2所示。在實際鉆削仿真加工中，Vf=12 mm/min，Vc=150 m/min，fn=0.01 mm/r，ap=10 mm，Dc=40 mm，n=1 200 r/min，Kr=60°。

鉆削中的切削力示意圖如圖3所示。本文采用控制變量法研究切削三要素，即切削速度Vc、進給速度Vf和切削深度ap與進給力Ff間的關系。查《鉆削應用指南》所得切削速度Vc、進給速度Vf、切削深度ap與進給力Ff量化計算過程如公式（1）～公式（3）所示。

Vc=3.14·Dc·n/1000 （1）

Vf=fn·n （2）

Ff=0.65·ap·fn·kcfz·sinKr （3）

公式（3）kcfz為特定切削力，查表為3 750 N/m2?，F(xiàn)給出仿真切削速度為150 m/min、進給速度為10 mm/min～30 mm/min，ap為10 mm，Dc為40 mm，Kr為60°。具體仿真參數(shù)見表1[2]。

3 有限元模型的建立

在仿真過程中，材料的分離是由材料的失效準則實現(xiàn)的，本文選用熱力耦合J-C模型損傷準則，如公式（4）所示。

（4）

式中：A、B、C、n、m為材料參數(shù)；σf為等效應力；εp為塑性應變；ε0為參考應變；T0為參考溫度；Tmelt為熔化溫度。

εf為當材料失效時的等效應力，如公式（5）所示。

（5）

式中：d1、d2、d3、d4、d5為失效參數(shù)[3-5]。

工件和刀具的材料性能對比見表2。

本文采用溫度-位移的顯示瞬態(tài)動力學分析步。相互接觸采用U鉆體面和毛坯切削部分集的表面與表面的接觸（屬于運動接觸），還添加了自接觸（屬于通用接觸）。鉆頭采用C3D4T網(wǎng)格類型，毛坯采用C3D8RT網(wǎng)格類型，C3D8RT具有沙漏控制的減縮積分模型，在迭代的過程中易于收斂。采用局部細化的網(wǎng)格劃分思想，具體為鉆削區(qū)域網(wǎng)格要細小些、邊緣網(wǎng)格不參與鉆削的區(qū)域大一些，如圖4所示。約束的添加主軸速度2 000 r/min，換算成弧度制單位為209.3 rad/s，30 mm/min

等于0.5 mm/s，以0.5 mm/s的速度走了20個分折步用時間10 s，即走了5mm，實際加工時，U鉆完全穿過毛坯需要走6.25 mm行程[6-7]。

開始加工時，刀具向下運動接觸毛坯工件，鉆尖先與工件表面接觸并擠壓工件。然后鉆頭橫刃進行整體擠壓，工件在鉆頭擠壓下發(fā)生彈性變形，出現(xiàn)應力出現(xiàn)趨勢。隨著刀具繼續(xù)向下運動，主切削刃與工件摩擦產(chǎn)生的熱使工件先發(fā)生彈性變形，工件晶粒被拉長發(fā)生塑性變形。此時宏觀組織已經(jīng)發(fā)生變化，但是沒有產(chǎn)生切屑。刀具繼續(xù)向下，對工件產(chǎn)生擠壓和剪切作用，晶格發(fā)生變形，材料發(fā)生滑移，切屑形成。切屑呈梯形狀態(tài)，梯形單元疊加，切屑出現(xiàn)彎曲。新產(chǎn)生的切屑推著原來的切屑在棑屑槽里移動，呈長卷曲形態(tài)。

2 仿真結果分析

可換刀片U鉆的斷屑效果如圖5所示。改進前，刀具應力集中，淺色應力超出第一個導向條，有400 MPa；改進后的刀具淺色應力沒有出現(xiàn)在第一個導向條處，第二個導向條處的深色應力有920 MPa。很明顯改進后的刀具應力分布均勻，應力集中現(xiàn)象減少較明顯。改進前，刀具斷屑槽溫度為685 ℃；改進后，刀具在斷屑槽的分屑槽溫度為492 ℃。從梯度溫度的分層看，改進后刀具的溫度還沒有擴散開。

在實際鉆削仿真加工中，Vf為12 mm/min，Vc為150 m/min，fn為0.01 mm/r，ap為10 mm，Dc為40 mm，n為1 200 r/min，Kr為60°。改進前，刀具最大切削速度為155 m/min，誤差為0.27%，如果仿真誤差在10%以內(nèi)，可以認為仿真模型是可信的。改進后，刀具最大切削速度為153 m/min，誤差為0.19%，改進后刀具的整體轉速有所降低。

增加分屑槽，使鐵屑先產(chǎn)生犁溝基本變形規(guī)律再斷屑，相當于把整體大鐵屑分割成細小化的小鐵屑?；谶@種設計思想，本文設計了有分屑槽的U鉆刀具的結構模型。改進后的刀具U鉆增加了二平折線分屑槽，從圖5的斷屑效果可以看出，改進前鐵屑沒有發(fā)生斷屑，改進后鐵屑有明顯斷屑出現(xiàn)，表明刀具結構的改進是有效果的。

影響鉆削變形的因素如下所示。1） 鉆削刃在鉆削平面上產(chǎn)生較大的彈塑性形變。2）中心刃和外刃剪切作用會使鉆削產(chǎn)生一個相對鐵屑的彎矩，使鐵屑發(fā)生卷曲。3） 在完全分屑狀態(tài)下，切削刃刃尖使鐵屑產(chǎn)生強制的附加變形。4） 在鐵屑自由端，隨著鉆削進行，鐵屑卷曲半徑增加，碰到孔壁和刀體時，出現(xiàn)二次反向彎曲。5） 變形產(chǎn)生的應力超過毛坯材料本身的許用應力時，斷削出現(xiàn)。

3 結論

本文對U鉆的刀具結構進行了改進，應用AdvantEdge軟件建立了U鉆加工鈦合金的有限元模型，仿真得到優(yōu)化的U鉆刀具仿真云圖。研究了刀具改進前、后斷屑仿真云圖，分析了加工過程中對應力P和溫度T等分布規(guī)律的影響，以期為同類刀具斷屑槽、分屑槽斷屑結構的設計提供理論依據(jù)和改進方向。所得結論如下所示。1） 改進前，刀具應力集中，淺色應力超出第一個導向條，有400 MPa；改進后，刀具淺色應力沒有出現(xiàn)在第一個導向條處，第二個導向條處的深色應力有920 MPa，很明顯改進后的刀具應力分布均勻，應力集中現(xiàn)象減少較明顯。2） 改進前，刀具斷屑槽溫度為685 ℃；改進后，刀具在斷屑槽的分屑槽溫度為492 ℃。從梯度溫度的分層看，改進后刀具的溫度還沒有擴散開。3） 改進前，刀具最大進給速度為155 m/min；改進后，刀具最大進給速度為153 m/min，改進后刀具的整體轉速有所降低。4） 改進前鐵屑沒有發(fā)生斷屑，改進后鐵屑有明顯斷屑出現(xiàn)，可以驗證刀具的結構改進具有一定效果且可行。

參考文獻

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