趙晶晶，覃壽同，林強(qiáng)，王棟，張銀霞，李松濤，段閃閃，李榮鑫

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 前言

硬態(tài)切削是指采用立方氮化硼(CBN)、陶瓷、新型硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金等超硬刀具少量或沒有潤滑的狀態(tài)下對淬硬鋼(HRC ＞50)進(jìn)行精密切削的加工工藝［1-2］。65Mn 是彈簧鋼，采用等溫淬火+低溫回火處理硬度在HRC55-60，常被用于制作高耐磨性零件，如鏵式犁上、磨床主軸、鋼鐵軌道等［3-5］。淬硬鋼65Mn 的切削加工中，若采用普通的切削加工方式，常會由于切不動(dòng)而損害刀具和主軸，甚至?xí)：Φ讲僮髡叩娜松戆踩?，且切削液的使用與我國“綠色生產(chǎn)”理念相違背。采用硬態(tài)切削工藝可改變傳統(tǒng)切削- 淬火- 磨削的制造工序［6］，實(shí)現(xiàn)“精車代磨”能有效地提高生產(chǎn)效率、減少環(huán)境污染和降低能量消耗。因此，硬態(tài)切削加工淬硬鋼具有很大的意義。

實(shí)驗(yàn)研究硬態(tài)切削耗材大、成本高，也不易觀察切削加工過程中工件表面溫度及應(yīng)力的變化情況。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，使得車削仿真成為可能。Deform3D 中包含了Machining 模塊，在該模塊中可以設(shè)定切削加工三要素和對流換熱系數(shù)［7］，以滿足硬態(tài)切削加工切削速度大、切削深度小、不使用切削液的特點(diǎn)。仿真得到切削過程中切削力、切削溫度、應(yīng)力的變化。

1 基于Deform-3D 的車削模型

1.1 模型的建立及參數(shù)的定義

Deform3D 有自己的刀具庫和工件模型，對于不符合要求的刀具可以通過調(diào)整刀具的位置使刀具的各項(xiàng)角度滿足實(shí)驗(yàn)要求。在Deform3D-V6.1 刀具庫中選擇車削刀具模型，TiC 涂層硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)為刀片CNMA，剛性體，刀夾選擇刀夾庫中的MCGNL。文中建立的模型是對65Mn 淬硬鋼棒料(φ120 mm)進(jìn)行外圓車削加工模擬，工件旋轉(zhuǎn)，刀具做軸向和徑向進(jìn)給。為了節(jié)省模擬運(yùn)算時(shí)間，選取棒料圓周的1/24進(jìn)行模擬，如圖1所示。

圖1 車削模型

1.2 預(yù)處理設(shè)置

模擬設(shè)置進(jìn)給量f=0.1 mm/r，背吃刀量ap=0.2 mm，切削速度v=267.528 m/min、339.12 m/min、422.016 m/min、527.52 m/min，仿真步數(shù)為1 000 步，每2 步保存一次，時(shí)間步長設(shè)置不宜太大，否則會降低求解精度，導(dǎo)致網(wǎng)格嚴(yán)重畸變甚至不收斂。為了保證計(jì)算精度，避免產(chǎn)生不合適單元，因此在模擬過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分。刀具的Size ratio 設(shè)置為3，網(wǎng)格數(shù)量劃分為20 000，這樣可以將刀尖網(wǎng)格局部細(xì)化，有利于分析模擬結(jié)果。工件的Size ratio 設(shè)置為1，網(wǎng)格數(shù)量劃分為25 000。環(huán)境溫度為20 ℃，刀具工件接觸面摩擦因數(shù)為0.6，對流換熱因數(shù)為20 W/m2/K。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 刀具切削力

當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)，切削力在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，隨后減小，并發(fā)生波動(dòng)如圖2、3、4所示。發(fā)生波動(dòng)的主要有兩方面:(1)淬硬鋼65Mn 本身含有微觀硬質(zhì)點(diǎn);(2)脆性材料在切削加工時(shí)，它們的切屑是不連續(xù)的。可以看出3 個(gè)切削力中，徑向力最大，其次是主切削力和軸向力。因此，硬態(tài)切削加工淬硬鋼時(shí)易引起機(jī)床的震顫。這也與Abrao Mendes博士選用陶瓷刀具、低CBN 含量和高CBN 含量的PCBN 刀具硬態(tài)切削加工AISI 軸承鋼(HRC62)時(shí)得到的結(jié)論一致［8］。

圖2 軸向力Fx 隨時(shí)間的變化

圖3 徑向力Fy 隨時(shí)間的變化

圖4 主切削力Fz 隨時(shí)間的變化

不同切削速度下，切削力的變化如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)切削力并不是逐漸增加的，而是隨著切削速度的增加，切削力呈先減小后增大的規(guī)律。這是由于隨著切削速度的增加切削溫度升高，工件材料發(fā)生軟化而使硬度降低［9］，此外，切削溫度的升高使得切屑流出阻力減小，因此切削力隨切削速度的增大而降低。當(dāng)切削速度超過422.016 m/min 時(shí)切削力隨切削速度的增大而降低，這有兩方面的原因:(1)隨著切削速度的提高切削溫度升高緩慢;(2)大部分切削熱被切屑帶走，工件軟化效應(yīng)減弱，因此切削力隨切削速度的增大而提高。

圖5 切削力隨切削速度的變化

2.2 切削溫度

硬態(tài)切削加工淬硬鋼時(shí)，刀具與工件間劇烈摩擦，切削力大，因此產(chǎn)生較大的切削熱，切削溫度最高可達(dá)800 ℃。由圖6 可以看出切削溫度的分布規(guī)律:(1)剪切面上各點(diǎn)溫度幾乎相同;(2)最高溫度不在刀刃上，而是在離刀刃有一定距離的地方;(3)第二變形區(qū)的切削溫度較高，即大部分切削熱被切屑帶走，只有少部分流經(jīng)刀具和工件表面。

由圖7 可以看出切削溫度隨切削速度的增大呈先增大后減小的趨勢。這是由于當(dāng)切削速度超過422.016 m/min 時(shí)，切削熱還沒來得及向刀具和工件表面?zhèn)鬟f就被切屑帶走，所以切削溫度降低。

圖6 工件溫度分布

圖7 切削溫度隨切削速度的變化

2.3 工件表面應(yīng)力變化

硬態(tài)切削加工實(shí)現(xiàn)“精車代磨”的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)是切削加工后工件的表面質(zhì)量。工件表面的殘余應(yīng)力分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，拉應(yīng)力對工件的裂紋產(chǎn)生、開裂及表面磨損起了重要的作用。壓應(yīng)力在工件表面以向內(nèi)的壓力存在，會使工件的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命得到很大提高，耐磨損和耐腐蝕強(qiáng)度也會增加很多［10］。

切削加工是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合過程，其中工件表面的應(yīng)力分為熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和相變應(yīng)力。一般車削時(shí)工件表層溫度比金屬的相變溫度要低，所以分析其加工殘余應(yīng)力時(shí)，可以不考慮相變影響。在硬態(tài)切削過程中，工件表面軸向應(yīng)力變化如圖8所示，環(huán)向應(yīng)力變化如圖9所示。可以看出，在切削加工過程中，工件表面一開始由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，隨后又急劇變?yōu)槔瓚?yīng)力，最后有由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，并最終呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，這是因?yàn)榈毒咔腥牍ぜr(shí)工件表面呈現(xiàn)拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致拉壓應(yīng)力的交替變化。因此，硬態(tài)切削加工代替磨削加工可以提高工件的疲勞壽命。

圖8 工件表面軸向應(yīng)力變化

圖9 工件表面環(huán)向應(yīng)力變化

3 結(jié)束語

通過模擬硬態(tài)切削加工淬硬鋼的過程，為實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論參考，但由于缺乏實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)論還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)分析了硬態(tài)切削過程中，不同切削速度下切削力的變化規(guī)律。得到了硬態(tài)切削3 個(gè)切削力中徑向力最大，其次是主切削力和軸向力，且都隨切削速度的提高先增大后減小的結(jié)論。

(2)分析了硬態(tài)切削切削溫度的變化情況，得到了第二變形區(qū)切削溫度較高，即大部分切削熱被切屑帶走的結(jié)論。

(3)分析了硬態(tài)切削過程中，工件表面應(yīng)力的變化情況。得到了隨著刀具的切入切出，工件表面呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力的交替變化，并最終呈現(xiàn)壓應(yīng)力的結(jié)論。

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