蔣宏婉，任仲偉，袁森,2，陳海虹，邵芳

(1.貴州理工學院 機械工程學院，貴陽 550003；2.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

刀屑接觸界面的溫度分布對金屬切削過程尤其是刀具的磨損研究有著重要影響，國內(nèi)外關(guān)于金屬切削仿真過程刀具溫度場的研究已經(jīng)獲得一定成果。不少研究表明，刀具與切屑及工件接觸區(qū)的溫度分布尤其是刀具最高切削溫度對刀具磨損研究至關(guān)重要，而相對穩(wěn)定的溫度場是獲得客觀可靠模擬結(jié)果的必要前提。目前，限于切削加工有限元模擬過程的計算速度慢、計算量大、周期長等導致的實際模擬時間短而很難獲得穩(wěn)定溫度場，國內(nèi)外已有學者對此進行探索。Yvonnet等[1]認為刀具與工件的傳熱系數(shù)值對刀具切削溫度有很大影響，可通過改變該值來獲得相對穩(wěn)定的刀屑接觸區(qū)溫度場。Filice等[2]通過有限元模擬和實驗對比研究，發(fā)現(xiàn)提高刀具與工件間傳熱系數(shù)，降低刀具與切屑及工件間熱阻，可獲得相對穩(wěn)定的溫度場；當傳熱系數(shù)為1000kW/(m2·k)時，與實驗結(jié)果吻合較好。Yen和Xie等[3-4]對切削模擬后刀具溫度場進行傳熱分析，結(jié)果表明，將切削模擬所得熱流密度加載于刀具表面，可獲得穩(wěn)定的刀具溫度場。孫華亮等[5]利用有限元方法，研究織構(gòu)刀具溫度最高點所在位置的變化情況與刀具強度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)溫度最高點幾乎不受表面微織構(gòu)的影響。李彬和房友飛等[6-7]建立更符合實際情況的切削有限元模型，研究結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。謝晉等[8]通過升溫試驗得出平行微溝槽結(jié)構(gòu)車刀能夠更大幅度地降低刀尖切削溫度。譚光宇等[9]建立了刀具表面受熱密度函數(shù)，對刀具溫度場進行有限元分析，進而確定刀具的優(yōu)劣。覃康才等[10]通過Deform-3D軟件進行切削加工過程的模擬仿真，分析了減摩槽切削溫度的影響。Shu等[11]基于集中參數(shù)法建立了熱分析模型，試驗結(jié)果表明，理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好的吻合。Courbon等[12]建立了基于任意拉格朗日歐拉算法的有限元模型，結(jié)果表明刀-屑接觸界面溫度的連續(xù)性明顯受到切削過程振幅的影響。

本文基于切削仿真平臺Deform-3D，探尋硬質(zhì)合金涂層車刀切削過程中刀具溫度峰值曲線區(qū)域穩(wěn)定時相對最優(yōu)的總傳熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)。采用修正的拉格朗日算法和局部網(wǎng)格重劃分技術(shù)對該切削過程進行有限元仿真，重點關(guān)注刀具與工件間的總傳熱系數(shù)和刀具與周圍環(huán)境間的對流換熱系數(shù)對切削仿真溫度分布的作用，并揭示其影響規(guī)律，從而確定給定切削條件下的優(yōu)選方案，即達到相對穩(wěn)定溫度場時的優(yōu)選總傳熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)。

1 仿真試驗方案設(shè)計

1.1 因素水平

該切削仿真試驗主要分為兩大部分：一是試驗方案設(shè)計，二是試驗數(shù)據(jù)處理。本研究為獲取刀屑接觸區(qū)穩(wěn)定溫度場，以刀屑間總傳熱系數(shù)ht和刀具與周圍環(huán)境間的對流換熱系數(shù)hc為設(shè)計變量，設(shè)計三組單因素仿真試驗，試驗方案如表1所示。

表1 單因素試驗方案

1.2 仿真條件

該試驗切削用量為：切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm。本文所研究刀具工作角度如表2所示，根據(jù)該刀具實際生產(chǎn)工作情況，工件材料為石油管道材料——高強度合金鋼40CrMnMo，體心立方金屬(bbc)，屬較難加工材料，對應到仿真平臺材料庫里牌號為AISI4140_machining；刀具基體材料為P20硬質(zhì)合金，由內(nèi)到外依次添加的涂層材料和厚度為TiN(1μm)→TiCN(5μm)→TiN(1μm)→Al2O3(5μm)如圖1a所示，刀具和工件材料基本性能參數(shù)如表3所示。其余有限元仿真相關(guān)設(shè)置如表4所示。

(a) 涂層的添加 (b) 網(wǎng)格模型

圖1 切削仿真有限元模型

表3 刀具和工件材料性能參數(shù)

表4 有限元仿真條件設(shè)置

表4中d表示工件半徑。同時基于表5所述的理論模型(采用仿真平臺默認參數(shù))，采用修正的拉格朗日算法和局部網(wǎng)格重劃分技術(shù)對該切削過程進行有限元仿真，重點關(guān)注該過程刀具的溫度場和受力情況。在該數(shù)值模擬過程中，作如下假設(shè)：①刀屑接觸區(qū)的摩擦系數(shù)為恒定值；②刀屑交界面與外界環(huán)境進行均勻換熱；③工件固定，刀片圍繞工件軸心做旋轉(zhuǎn)運動。建立相應的有限元模型如圖1b所示。

表5 有限元仿真理論模型

2 仿真試驗結(jié)果與分析

2.1 仿真試驗結(jié)果

經(jīng)過切削仿真平臺的求解和后處理，獲得單因素試驗結(jié)果，刀具溫度峰值曲線和相應的刀具溫度分布情況，圖2～圖4中總傳熱系數(shù)ht和對流換熱系數(shù)hc單位均為kW/(m2·K)(均為各組仿真試驗刀具最高溫度時刻)。

(a) hc=5, ht=1000 (b) hc=5, ht=1200 (c) hc=5, ht=1500

(d) 對流換熱系數(shù)為5時刀具溫度峰值曲線

(a) hc=10, ht=1000 (b) hc=10, ht=1200 (c) hc=10, ht=1500

(d) 對流換熱系數(shù)為10時刀具溫度峰值曲線

(a) hc=15, ht=1000 (b) hc=15, ht=1200 (c) hc=15, ht=1500

(d) 對流換熱系數(shù)為15時刀具溫度峰值曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

由圖2對流換熱系數(shù)為5kW/(m2·K)時不同總傳熱系數(shù)對刀具溫度分布的影響情況可知，在對流換熱系數(shù)為5kW/(m2·K)時，隨著刀屑間總傳熱系數(shù)的增大，車刀前刀面刀屑接觸區(qū)域的高溫集中區(qū)域經(jīng)歷由稍寬到狹長，最后趨于長寬相對居中的范圍，但總體高溫集中區(qū)域并不穩(wěn)定。而對比對流換熱系數(shù)為5時三條刀具溫度峰值曲線，很顯然，總傳熱系數(shù)為1500kW/(m2·K)時，刀具溫度能夠最快進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，并且在退刀階段，刀具溫度波動相對最小。對比如圖3所示的對流換熱系數(shù)為10kW/(m2·K)時不同總傳熱系數(shù)對刀具溫度分布的影響情況可知，此時當?shù)缎伎倐鳠嵯禂?shù)為1500kW/(m2·K)時，高溫集中區(qū)域相對前兩種情況更為均勻和穩(wěn)定。而對比對流換熱系數(shù)為10時三條刀具溫度峰值曲線，同樣，總傳熱系數(shù)為1500kW/(m2·K)時，刀具溫度能夠相對最快進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，并且在退刀階段，刀具溫度波動相對最小。對比如圖4所示的對流換熱系數(shù)為15kW/(m2·K)時不同總傳熱系數(shù)對刀具溫度分布的影響情況可知，此時當?shù)缎伎倐鳠嵯禂?shù)為1200kW/(m2·K)時，高溫集中區(qū)域相對最散亂，而ht=1500kW/(m2·K)的高溫集中區(qū)域較ht=1000kW/(m2·K)的相對稍寬，且對比整個切削過程，ht=1500kW/(m2·K)的刀具溫度分布尤其是高溫集中區(qū)域更為穩(wěn)定。而對比對流換熱系數(shù)為15時三條刀具溫度峰值曲線，同樣，總傳熱系數(shù)為1500kW/(m2·K)時，刀具溫度能夠相對最快進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，但是在退刀階段，總傳熱系數(shù)為1500kW/(m2·K)時的刀具溫度局部波動相對稍大，但是總體溫度峰值曲線相對最平穩(wěn)。結(jié)合該硬質(zhì)合金車刀切削過程實際情況，刀屑接觸相對穩(wěn)定，因而高溫集中區(qū)域分布理論上不會出現(xiàn)散亂情況。

通過對比分析圖2～圖4中9條刀具溫度曲線可知，當?shù)毒吲c工件間傳熱系數(shù)取為1500kW/(m2·K)，刀屑界面與周圍環(huán)境的對流換熱系數(shù)為15kW/(m2·K)時，“刀具-工件-空氣”三者可相對最快達到基本熱平衡狀態(tài)，從而獲得相對穩(wěn)定的刀具溫度場。因此，在本文所進行的仿真研究中，當總傳熱系數(shù)取為1500kW/(m2·K)，對流換熱系數(shù)取為15kW/(m2·K)時，可獲得相對最穩(wěn)定的刀具溫度場。

3 結(jié)論

通過以上研究工作，本文研究結(jié)論概括如下：

(1)在本文所研究的切削條件下(切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm)，在相同的對流換熱系數(shù)條件下，隨著總傳熱系數(shù)的增大，刀具峰值溫度曲線越趨于穩(wěn)定，當ht=1500kW/(m2·K)時，刀具溫度能夠相對最快進入穩(wěn)定狀態(tài)，同時整體溫度分布穩(wěn)定性增加，但在退刀階段，刀具溫度波動相對稍大。同樣，在相同總傳熱系數(shù)條件下，隨著對流換熱系數(shù)的增大，刀具峰值溫度曲線越趨于穩(wěn)定，當hc=15kW/(m2·K)時，刀具溫度能夠相對最快進入穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)切削初期，工件由于力熱作用首先產(chǎn)熱，同時向周圍材料傳遞熱量，其中一部分即傳給刀具，同時刀屑間摩擦作用使得刀具產(chǎn)熱，二者綜合作用讓刀具升溫，但此階段工件材料溫度高于刀具，同時刀具通過熱對流將熱量傳遞給周圍空氣。隨著切削過程的進行，工件不斷將熱量傳遞給刀具，刀具不斷向周圍空氣散發(fā)熱量，在達到“刀具-工件-空氣”動態(tài)熱平衡之前，刀具溫度為持續(xù)上升，直至該動態(tài)熱平衡的出現(xiàn)。因而，切削仿真分析通過設(shè)置合理的傳熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)以實現(xiàn)真實切削過程的切削穩(wěn)態(tài)，是獲得有效分析結(jié)果的關(guān)鍵。在本文所研究的切削條件下(切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm)，當?shù)毒吲c工件間傳熱系數(shù)取為1500kW/(m2·K)，刀屑界面與周圍環(huán)境的對流換熱系數(shù)為15kW/(m2·K)時，“刀具-工件-空氣”三者可相對最快達到基本熱平衡狀態(tài)，從而獲得相對穩(wěn)定的刀具溫度場。該結(jié)論為硬質(zhì)合金車刀切削過程的仿真分析提供有效理論參考。