張法光，黃 勤，張 磊

（貴州大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，貴州 550025）

0 引言

近年來，隨著石油機(jī)具產(chǎn)品向著多品種、小批量方向發(fā)展，產(chǎn)品的開發(fā)周期、生產(chǎn)周期越來越來短，因而對(duì)產(chǎn)品的材料性能和加工技術(shù)要求越來越高。由于42GrMo鋼具備強(qiáng)度高，淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，高溫時(shí)具有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其成為制造石油機(jī)具重要的金屬材料之一[1,2]。某石油機(jī)械公司的石油機(jī)具產(chǎn)品零件中廣泛采用42GrMo鋼，由于其零件具有加工直徑和長(zhǎng)度尺寸較大的特點(diǎn)，為提高加工效率，加工過程中常出現(xiàn)刀具磨損現(xiàn)象嚴(yán)重的情況，刀具使用壽命很短。為了實(shí)現(xiàn)高效加工要求，本文以有限元軟件DEFORM-3D為平臺(tái)，對(duì)涂層硬質(zhì)合金車刀車削42GrMo合金鋼的切削過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，對(duì)兩種不同涂層的硬質(zhì)合金車刀在車削42GrMo合金鋼時(shí)其切削力、切削溫度的變化進(jìn)行分析比較，得出了較適宜車削42GrMo合金鋼的硬質(zhì)合金刀具涂層。

1 建立有限元模型

在彈塑性變形時(shí)國(guó)際上通常采用Johnson-Cook本構(gòu)模型[3]。本文中工件在受到刀具作用時(shí)先發(fā)生彈性變形，而后切削力達(dá)到一定數(shù)值發(fā)生塑性變形，因此采用DEFORM-3D軟件自帶的Johnson-Cook本構(gòu)模型對(duì)42GrMo鋼進(jìn)行切削仿真可以很好地接近實(shí)際切削，減少切削試驗(yàn)次數(shù)。

本文采用山特維克可樂滿涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)直徑為200mm的42GrMo鋼進(jìn)行切削仿真。根據(jù)刀具使用手冊(cè)選定合適的刀具結(jié)構(gòu)尺寸，在SolidWorks軟件中建立車刀的三維模型，然后將其導(dǎo)入DEFORM-3D中建立有限元分析模型。以下是DEFORM-3D的Machining[Cutting]模塊預(yù)處理設(shè)置：

1)工作條件設(shè)定。機(jī)械加工類型為車削，單位標(biāo)準(zhǔn)SI。轉(zhuǎn)速n為600r/min，其對(duì)應(yīng)切削速度VC為170m/min，進(jìn)給量f為0.2mm/r，背吃刀量為0.5 mm。環(huán)境溫度為20℃，刀具涂層為Al2O3時(shí)摩擦系數(shù)為0.55，涂層為TiN-Al2O3-TiCN 時(shí)摩擦系數(shù)為0.4，熱導(dǎo)率為62W·m-1·℃-1。

2)刀具參數(shù)設(shè)定。選用兩種不同涂層的硬質(zhì)合金刀具，一種涂層是厚度為14μm的TiN-Al2O3-TiCN復(fù)合層，另一種涂層是厚度為14μm的Al2O3單層。刀具網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為10000個(gè)。硬質(zhì)合金YT15基體的性能參數(shù)如表1所示，涂層的性能參數(shù)如表2所示。

3)工件設(shè)定。工件材料為42GrMo，屬性為塑性，外圓車削模型，直徑為90mm，旋轉(zhuǎn)角度為90°，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為10000個(gè)。42GrMo鋼的物理力學(xué)性能如表3所示。

4) 仿真條件設(shè)定。運(yùn)算步數(shù)為2000步，每25步存儲(chǔ)一次，切削終止角度為95°。

表1 YT15基體的物理力學(xué)性能參數(shù)

表2 涂層的物理性能參數(shù)

表3 42GrMo鋼的物理力學(xué)性能

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 切削力仿真結(jié)果及分析

圖1 切削力隨時(shí)間變化曲線

切削力隨時(shí)間的變化的模擬仿真結(jié)果如圖1所示。車削過程中，切削力在一恒定值的上下波動(dòng)，這與實(shí)際切削過程中切削力的變化是一致的。切削力主要來源于被加工材料對(duì)彈塑性變形的抗力和刀具與工件之間的摩擦力[2]。刀具在剛接觸工件時(shí)，工件材料先產(chǎn)生彈性變形，繼而內(nèi)部晶格進(jìn)行滑移發(fā)生塑性變形，切削力增大，當(dāng)切削刃附近工件材料的剪應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限時(shí)，切削力達(dá)到最大，隨著材料被剝離，切削力又會(huì)隨之降低。此過程周而復(fù)始，因而切削力在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。取切削力的穩(wěn)態(tài)部分求均值[3]，經(jīng)計(jì)算得到：采用復(fù)合層TiN-Al2O3-TiCN涂層的硬質(zhì)合金車削時(shí)，切削力為806N；采用單層Al2O3涂層硬質(zhì)合金車削時(shí)，切削力為822N，兩者切削力大小相差1.95%，由此可知涂層對(duì)切削力的影響并不明顯。

2.2 切削溫度仿真

切削溫度是影響刀具耐用度的主要因素之一。降低切削過程中的切削溫度，對(duì)提高刀具耐用度和表面加工質(zhì)量具有重要意義。對(duì)兩種涂層刀具車削過程的溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果如圖2、圖3和表4所示。

表4 刀具及工件最高溫度

圖2 刀具溫度場(chǎng)云圖

圖3 工件溫度場(chǎng)云圖

由表4可以看到，兩種涂層刀具在切削過程中溫度相差很大，復(fù)合涂層刀具的最高溫度為690℃，單層涂層刀具的最高溫度為1040℃，復(fù)合涂層刀具比單層涂層刀具的最高溫度低33.65%。由刀具的溫度場(chǎng)云圖可以看到，刀具的最高溫度是位于離刀刃有一定距離的地方，即位于第二變形區(qū)。刀具的熱量主要來源于克服刀屑摩擦做功和切屑與工件間的熱傳遞[2]。由于TiN-Al2O3-TiCN復(fù)合層的外層TiN的摩察系數(shù)小，中層Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)小，刀屑之間的摩擦小，切屑上的熱量不容易傳到刀具上，所以復(fù)合涂層刀具的切削溫度較低。又由于涂覆Al2O3可提高刀具的抗粘附和耐磨損性能，涂覆TiCN可提高刀具的耐磨損性能，使得復(fù)合涂層刀具的耐用度和切削質(zhì)量明顯優(yōu)于單層Al2O3涂層刀具。

兩種車削條件下工件的最高溫度相等，為1160℃。

3 結(jié)論

從以上有限元仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

硬質(zhì)合金刀具的涂層在切削42GrMo鋼時(shí)，對(duì)切削力的影響不大。

TiN-Al2O3-TiCN復(fù)合層涂層刀具的最高溫度比單層Al2O3涂層刀具的最高溫度低33.65%左右，為保證刀具耐用度和切削加工效率，在選用較高切削速度切削42GrMo鋼時(shí)，采用TiN-Al2O3-TiCN復(fù)合涂層刀具較好。

[1]扈延光,于榮莉.熱處理制度對(duì)42GrMo鋼缺口拉伸性能的影響[J].金屬熱處理,1997(2):24-34.

[2]楊漢高,侯惠君,劉仲武,等.42GrMo鋼等離子氮碳共滲厚化合物層工藝及組織性能[J].金屬熱處理,2012,37(12):10-13.

[3]Thakur D G.Study on the machinability characteristics of superalloy Inconel718 during high speed turning [J].Materials and Design,2008,7(11):l-6.

[4]盧秉恒.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007年12月.

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