劉楊 ,劉勇, 鄒中妃 ,劉冰, 譚一丁，何林,2

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025 2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

0 引言

在切削過(guò)程中，切削熱極易集中在刀具前刀面的一個(gè)微小區(qū)域使得該區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致刀具前刀面粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損等物理現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致刀具的磨損破損直至失效并嚴(yán)重影響工件的表面加工質(zhì)量。因此，如何在干切削加工過(guò)程中，減少切削熱的產(chǎn)生或增加切削熱的擴(kuò)散，降低刀具的切削溫度至關(guān)重要。

基于摩擦學(xué)和仿生學(xué)原理，很多學(xué)者設(shè)計(jì)了不同形狀的微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的微織構(gòu)能夠有效改善刀屑接觸面間的摩擦狀態(tài)，減小切削力，從而減少切削熱的產(chǎn)生[1-5]。Jianfeng Ma等通過(guò)在刀具前刀面置入微凸塊、微孔織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)：微凸起和微孔織構(gòu)能夠有效降低切削力，從而減小加工過(guò)程中切削能的消耗，并有效減小刀屑接觸長(zhǎng)度[6-7]。 Anis Fatina 等通過(guò)在刀具前-后刀面置入微溝槽，正交切削AISI4140，研究發(fā)現(xiàn)：織構(gòu)刀具相對(duì)于無(wú)織構(gòu)刀具而言具有更好的切削性能，織構(gòu)刀具能夠有效降低切削力、進(jìn)給力、摩擦系數(shù)及壓縮比[8]。Varun Sharma 等通過(guò)在混合織構(gòu)自潤(rùn)滑切削刀片進(jìn)行了混合織構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)：表面織構(gòu)對(duì)降低切削力有顯著的效果，織構(gòu)模式尺寸對(duì)刀屑接觸面間的接觸面積及剪切強(qiáng)度的控制起到主要作用[9]。杜宏益等根據(jù)穿山甲鱗片摩擦磨損特性設(shè)計(jì)矩形織構(gòu)刀具，研究發(fā)現(xiàn)：沿流屑方向微織構(gòu)模型最有利于降低切削力和刀具溫度，從而延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高對(duì)難加工材料的加工效率[10-14]。除此之外，貴州大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于刀片前刀面切削溫度分布創(chuàng)新設(shè)計(jì)涂層硬質(zhì)合金微槽車刀并取得了一定的成果。蔣宏婉[15]、占剛[16]等通過(guò)在前刀面切屑刃近域置入微槽發(fā)現(xiàn)，所置入的微槽能夠有效的降低剪切能與摩擦能，改善工件表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。綜上所述，前者主要對(duì)微織構(gòu)刀具前刀面摩擦性能及切削性能進(jìn)行研究，并未對(duì)刀具切削能及切削溫度的影響進(jìn)行研究，后者只針對(duì)單一結(jié)構(gòu)特征對(duì)刀具切削能、切削溫度及殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行了研究，因此本文提出多種結(jié)構(gòu)特征組合的方式，基于刀具前刀面切削刃近域切削溫度分布，以干切削加工石油管道40CrMnMo材料的涂層硬質(zhì)合金微織構(gòu)車刀[15](以下簡(jiǎn)稱微槽車刀)為例，研究其對(duì)刀具切削溫度、切削力以及工件表面殘余應(yīng)力的影響。

1 有限元仿真模型

本文采用DEFORM 3D軟件對(duì)切削溫度以及已加工表面殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。仿真切削參數(shù)根據(jù)企業(yè)提供的實(shí)際切削加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所選用的加工工藝參數(shù)：切削速度v=115m/s,切深a=2mm,進(jìn)給量f=0.42(mm/r)，選用4層涂層的設(shè)計(jì)與原刀片的涂層設(shè)計(jì)相同，涂層順序由內(nèi)到外為：TiN,TiCN,TiN,AlO3，相應(yīng)的涂層厚度分別為：1μm，5μm，1μm，5μm。

本文的工件材料為石油管道材料AISI4140。本文所采用的工件材料流動(dòng)應(yīng)力特性模型如式(1)所示。在仿真過(guò)程中工件采用彎曲模型，模型外徑為100mm，弧角為20°，并將工件設(shè)置為彈塑性體，以便觀察工件表面的殘余應(yīng)力。

(1)

2 微槽微織構(gòu)復(fù)合刀片設(shè)計(jì)

本文開展微槽微織構(gòu)設(shè)計(jì)的原車刀和微槽車刀分別如圖1所示。所設(shè)計(jì)的三種新型微槽微織構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2、圖3和圖4。TCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及BCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)均為兩因素三水平,分別如表1、表2所示。需要說(shuō)明的是，波紋型微織構(gòu)的單個(gè)波型由4段相同的圓弧組成，因此波紋型微織構(gòu)的形狀由單個(gè)圓弧半徑及其弧度值決定。SCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計(jì)綜合TCT和BCT前刀面微織構(gòu)設(shè)計(jì)，微織構(gòu)置入位置與前兩把刀的微織構(gòu)置入?yún)^(qū)域一致，微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)同樣綜合前兩種微織構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此SCT微織構(gòu)車刀的設(shè)計(jì)參數(shù)為四因素三水平，如表3所示。表3中，波紋型微織構(gòu)的弧度值是由BCT仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的，該弧度值對(duì)應(yīng)的降溫效果最好。由文獻(xiàn)[10]可知，當(dāng)微織構(gòu)沿流屑角的方向時(shí)降溫效果最好。因此在BCT和SCT中波紋型微織構(gòu)均沿流屑角的方向。依據(jù)流屑角計(jì)算公式[17]，計(jì)算得流屑角為2.38°。

(a)原車刀(YCT) (b)微槽車刀(WCT)圖1 原刀與微槽車刀

圖2 條紋型微織構(gòu)

(a) 波紋型微織構(gòu)俯視圖

(b) 波紋型微織構(gòu)側(cè)視圖圖3 波紋型微織構(gòu)

圖4 梳齒形微織構(gòu)

微織構(gòu)參數(shù)數(shù)值單個(gè)微織構(gòu)寬度k1(mm)0.03,0.04,0.05微織構(gòu)深度(mm)0.03,0.04,0.05微織構(gòu)最大長(zhǎng)度K(mm)0.36微織構(gòu)端部到副切削的距離h(mm)0.065寬間比1微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度L2(mm)0.8

表2 波紋型微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 梳齒形微織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

表4 刀片的幾何和工作角度

表5 刀片材料的機(jī)械物理性能

3 微槽微織構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選

本節(jié)分別對(duì)TCT、BCT和SCT三種新型微槽微織構(gòu)涂層硬質(zhì)合金車刀進(jìn)行單因素仿真實(shí)驗(yàn)，探究微織構(gòu)參數(shù)對(duì)切削溫度的影響規(guī)律，并基于最佳降溫效果優(yōu)選出三種微槽微織構(gòu)設(shè)計(jì)。WCT車刀與YCT車刀的切削溫度分布云圖如圖5、圖6所示。

圖5 YCT切削溫度分布云圖 圖6 WCT切削溫度分布云圖

3.1 條紋型微織構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選

切削溫度隨條紋形微織構(gòu)寬度和深度的變化曲線如圖7所示。從曲線圖中可以看出：切削溫度隨著條紋形微織構(gòu)寬度和深度的增加而上升，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微織構(gòu)車刀和原車刀的切削溫度。這是因?yàn)樵诟鼻邢魅锌拷都鈪^(qū)域的條紋形微織構(gòu)在切削過(guò)程中減小了刀屑接觸面間的接觸面積，減少了刀屑接觸面間的摩擦，減少了熱量的產(chǎn)生。當(dāng)條紋微織構(gòu)的寬度在0.03mm，深度在0.03mm時(shí)，切削溫度最低，此時(shí)與YCT相比降低了34%，與WCT相比降低了17.83%,圖8為該微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的切削溫度分布云圖。這是因?yàn)閷挾仍叫?，起作用的微織?gòu)個(gè)數(shù)就越多，從而刀屑間的接觸面積越少，摩擦就越少，產(chǎn)生的熱量就越低；從文獻(xiàn)[18]可知，在切削過(guò)程中，刀具的前刀面承受很大的壓力，當(dāng)微織構(gòu)深度越深時(shí)，微織構(gòu)與切屑之間可能會(huì)發(fā)生二次切削，增大了切削力，從而使得切削溫度升高。從圖8中可以看出，條紋型微織構(gòu)的置入能夠有效降低置入?yún)^(qū)域的切削溫度，改變了刀屑間的摩擦狀態(tài)，降低了切削熱的產(chǎn)生。

綜上所述，條紋型微織構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：微織構(gòu)寬度為0.03mm,微織構(gòu)深度為0.03mm(以下簡(jiǎn)稱TCT-Y)。

圖7 切削溫度隨條紋形微織構(gòu)寬度和深度的變化曲線

圖8 條紋形微織構(gòu)寬度為0.03mm,深度為0.03mm時(shí)的切削溫度分布云圖

3.2 波紋型微織構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選

圖9為切削溫度隨波紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線圖。從曲線圖中可以看出：切削溫度隨著波紋型微織構(gòu)圓弧半徑值R的增加而上升，隨著微織構(gòu)弧度的增加先下降后上升，在微織構(gòu)半徑R為0.05mm弧度為70°時(shí)，存在最高溫，且低于微織構(gòu)車刀和原車刀的切削溫度；在微織構(gòu)半徑為0.03mm，對(duì)應(yīng)弧度為60°時(shí)，切削溫度最低，與原刀相比降低29.89%，與微織構(gòu)車刀相比降低了12.58%，圖10為該微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的切削溫度分布云圖。從圖10中可以看出，刀片前刀面的最高溫分布發(fā)生了改變，刀片前刀面的切削溫度降低。這是因?yàn)椴y型微織構(gòu)的存在增大了切屑與刀具前刀面接觸面積，增大了刀具前刀面主切削刃近域刀屑接觸面間的傳熱面積，因此微織構(gòu)圓弧半徑越小，在切削過(guò)程中起作用的微織構(gòu)個(gè)數(shù)就越多，所以微織構(gòu)圓弧半徑值在0.03mm時(shí)，切削溫度最低;同時(shí)波紋型微織構(gòu)的存在降低了刀具在刀-屑接觸處區(qū)的正應(yīng)力，使得原本刀-屑接觸區(qū)部分內(nèi)摩擦區(qū)域轉(zhuǎn)化為外摩擦區(qū)域即粘結(jié)摩擦區(qū)轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)摩擦區(qū)，由于內(nèi)摩擦區(qū)域是刀具熱量的主要來(lái)源，該區(qū)域的減小導(dǎo)致了刀具溫度降低；除此之外，波紋型微織構(gòu)的方向沿流屑角的方向，對(duì)切屑的流出具有一定的疏導(dǎo)作用，減小了切屑流動(dòng)過(guò)程中的阻力，使切屑更加順暢的流出，從而減小了切削熱的產(chǎn)生。但波紋型微織構(gòu)的置入對(duì)刀具前刀面副切削刃靠近刀尖處刀屑間的摩擦狀態(tài)影響不明顯。

綜上所述，波紋型微織構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為:微織構(gòu)半徑為0.03mm,對(duì)應(yīng)弧度為60°(以下簡(jiǎn)稱BCT-Y)

圖9 切削溫度隨波紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線圖

圖10 波紋型微織構(gòu)半徑為0.03mm,弧度值為60°時(shí)的溫度分布云圖

3.3 梳齒形微織構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選

圖11～圖13分別為波紋型微織構(gòu)圓弧半徑R分別為0.03mm，0.04mm,0.05mm，θ為60°時(shí)，切削溫度隨條紋形微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)變化的曲線圖。從曲線圖中可以看出：在選定波紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)值的條件下，條紋微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)切削溫度有一定的影響；圖11中，微織構(gòu)深度為0.03mm時(shí)，切削溫度隨微織構(gòu)寬度的增加先上升后下降，但切削溫度的最高值仍低于微織構(gòu)車刀的原車刀的切削溫度，深度為0.04mm和0.05mm時(shí)，切削溫度隨著微織構(gòu)寬度的增加而增加，在深度為0.04mm，寬度為0.03mm時(shí)，切削溫度最低，與原車刀相比降低了40.1%，與微織構(gòu)車刀相比降低了26.43%，該微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的切削溫度分布云圖如圖14所示；圖12中，微織構(gòu)深度為0.03mm時(shí)，切削溫度隨微織構(gòu)寬度的變化先上升后下降，與微織構(gòu)深度為0.05mm時(shí)的變化趨勢(shì)相反，在微織構(gòu)深度為0.04mm時(shí)，切削溫度隨微織構(gòu)寬度的增加而降低，并且在寬度為0.04mm，深度為0.04mm時(shí)，切削溫度最低，與原車刀相比降低42.91%，與微織構(gòu)車刀相比降低了28.82%，該微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的切削溫度分布云圖如圖15所示；圖13中，切削溫度在不同微織構(gòu)深度值下的變化趨勢(shì)相似，微織構(gòu)寬度為0.03mm，微織構(gòu)深度為0.04mm時(shí)，切削溫度最低，與原車刀相比降低了40.1%，與微織構(gòu)車刀相比降低了26.43%，該微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的切削溫度分布云圖如圖16所示。由于梳齒形微織構(gòu)綜合了波紋型微織構(gòu)與條紋形微織構(gòu)的作用，使得梳齒形微織構(gòu)能夠更有效的降低切削溫度，從而延長(zhǎng)刀具壽命。

綜上所述：梳齒形微織構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：波紋型微織構(gòu)圓弧半徑為0.04mm，弧度為60°，條紋形微織構(gòu)寬度和深度均為0.04mm(以下簡(jiǎn)稱SCT-Y)，且與TCT-Y、BCT-Y相比，SCT-Y的降溫效果更好。

圖11 R=0.03mm,θ=60°時(shí)，切削溫度隨條紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線

圖12 R=0.04mm,θ=60°時(shí)，切削溫度隨條紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線

圖13 R=0.05mm,θ=60°時(shí)，切削溫度隨條紋型微織構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線

圖14 波紋型微織構(gòu)半徑為0.03mm，弧度值為60°，條紋型微織構(gòu)寬度為0.03mm，深度分別為0.04mm時(shí)的溫度分布云圖 圖15 波紋型微織構(gòu)半徑為0.04mm，弧度值為60°時(shí)，條紋型微織構(gòu)寬度為0.04mm，深度為0.04mm時(shí)的溫度分布云圖

圖16 波紋型微織構(gòu)半徑為0.05mm，弧度值為60°，條紋型微織構(gòu)寬度為0.03mm，深度分別為0.04mm時(shí)的溫度分布云圖

4 微槽微織構(gòu)對(duì)切削力及殘余應(yīng)力的影響

從上節(jié)可知，微槽微織構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)能夠有效降低刀具切削溫度，因此為了對(duì)所設(shè)計(jì)的微槽微織構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)做出較為全面的評(píng)價(jià)，本小節(jié)通過(guò)比較的方法，對(duì)所優(yōu)選出的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與YCT及WCT的切削力及殘余應(yīng)力變化進(jìn)行研究。

4.1 微槽微織構(gòu)對(duì)切削力的影響分析

本小節(jié)對(duì)上一節(jié)中所優(yōu)選出的3種刀具(TCT-Y、BCT-Y及SCT-Y)與YCT及WCT的切削力進(jìn)行對(duì)比分析。圖17為該5種刀具切削力柱狀圖。從圖中可以看出，TCT-Y的切削力均大于YCT與WCT,但基于上一節(jié)的分析，TCT-Y的切削溫度低于YCT與WCT,這是因?yàn)闂l紋型微織構(gòu)位于副切削刃靠近刀尖處，不參與主要的切削過(guò)程，但條紋型微織構(gòu)的置入減小了刀屑間的接觸面積，使得切屑傳遞給刀具的熱量減少，從而使得刀具溫度降低。BCT-Y及SCT-Y的切削力均低于YCT及WCT，這是因?yàn)橐环矫娌y型微織構(gòu)位于主切削刃與微槽之間，參與主要的切削過(guò)程，且波紋型微織構(gòu)沿流屑角方向，減小切屑流出的阻力，從而降低了切削力，減少了熱量的產(chǎn)生,另一方面波紋型微織構(gòu)的置入減小了粘結(jié)摩擦區(qū)域，從而減小切削力，減少切削熱的產(chǎn)生，從而降低了切削溫度。由于SCT-Y同時(shí)在主副切削刃相應(yīng)區(qū)域置入條紋型微織構(gòu)與波紋型微織構(gòu)，從而使得SCT-Y的切削溫度最低。

圖17 5種刀具切削力變化柱狀圖

4.2 微槽微織構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)對(duì)殘余應(yīng)力的影響分析

切削加工后的已加工表面常有殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力是影響已加工表面的加工質(zhì)量及工件服役壽命的主要因素之一，也是衡量刀具性能好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，本小節(jié)對(duì)上節(jié)所優(yōu)選出的3種微槽微織構(gòu)(TCT-Y、BCT-Y及SCT-Y)已加工表面的殘余應(yīng)力與YCT和WCT已加工表面周向殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。本文通過(guò)DEFROM3D后處理中的點(diǎn)追蹤來(lái)對(duì)比分析以上5種刀片已加工表面周向殘余應(yīng)力的分布情況。圖18為周向殘余應(yīng)力距工件表層深度的變化曲線。從圖中可以看出，除TCT-Y外，其余刀片切削加工后工件殘余應(yīng)力均隨著工件深度的增加先下降后減小，而且均處于壓應(yīng)力狀態(tài)；與YCT和WCT相比，波紋型及梳齒形微織構(gòu)的置入均能夠增大工件表層殘余壓應(yīng)力最大值，且梳齒形微織構(gòu)的置入效果最好。與WCT相比，條紋型微織構(gòu)的置入對(duì)工件表層殘余壓應(yīng)力的改善不明顯，但與YCT相比，條紋型微織構(gòu)的置入能夠有效改善工件表面殘余壓應(yīng)力的最大值。

這是因?yàn)闂l紋型微織構(gòu)的置入?yún)^(qū)域?yàn)楦鼻邢魅锌拷都馓帲粎⑴c主要的切削過(guò)程，因此對(duì)切削力及工件的剪切變形影響較小，從而對(duì)工件表面的殘余壓應(yīng)力影響較小。而波紋型微織構(gòu)位于主切削刃與微槽之間，參與主要的切削過(guò)程，對(duì)切削力、切屑的形態(tài)、刀屑間摩擦狀態(tài)及工件的剪切變形都有直接的影響，因此對(duì)工件表面的殘余應(yīng)力影響較大。由金屬切削理論可知，已加工表面殘余應(yīng)力是機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力等因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，機(jī)械應(yīng)力主要由第一變形區(qū)的剪切變形產(chǎn)生的應(yīng)力和第三變形區(qū)的刀具與工件擠壓摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力組成，剪切變形產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)大于第三變形區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力，且機(jī)械應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，而熱應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。因此，波紋型微織構(gòu)的存在可能使第一變形區(qū)的剪切變形增加，且由剪切變形所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力大于由熱應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而使得已加工表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

圖18 周向殘余應(yīng)力距工件表層深度的變化曲線

5 結(jié)論

本文通過(guò)利用DEFORM3D仿真分析軟件對(duì)比分析了波紋型微織構(gòu)、條紋形微織構(gòu)以及梳齒形微織構(gòu)對(duì)切削溫度的影響，且基于降溫效果優(yōu)選出3種微槽微織構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)比分析了優(yōu)選出的3種復(fù)合結(jié)構(gòu)刀具、YCT及WCT刀片的切削力及已工件表面殘余應(yīng)力，研究發(fā)現(xiàn):3種新型微槽微織構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀片都能夠很好的降低切削溫度，且梳齒形微槽微織構(gòu)車刀降溫效果更明顯，說(shuō)明梳齒形微織構(gòu)置入能夠更好地降低刀具的切削溫度，從而延長(zhǎng)刀具壽命；波紋型微織構(gòu)的存在能夠有效降低切削力，減少切削熱的產(chǎn)生，而條紋型微織構(gòu)的存在對(duì)降低切削力的影響不大；與YCT相比，3種微織構(gòu)的置入均能有效增大工件表層殘余壓應(yīng)力最大值，而與WCT相比，除條紋型微織構(gòu)外，其余兩種織構(gòu)均能有效增大工件表層殘余壓應(yīng)力最大值。