程金強(qiáng)，王揚(yáng)渝，王慧強(qiáng)，倪鵬程

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

淬硬鋼材料具有塑性低、延展率小、易形成較高表面質(zhì)量的特點(diǎn)，使得其在模具生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛。然而淬硬鋼是一種難加工材料，硬度可達(dá)HRC65，致使這種材料在實(shí)際生產(chǎn)中很難獲得較高加工效率和精度，大型淬硬鋼模具達(dá)到這種加工效果更是困難。傳統(tǒng)大型淬硬鋼模具多是通過(guò)整體銑削加工獲得，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且局部面上設(shè)有很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)，模具各部位對(duì)硬度要求不同，為了減小加工和材料成本，通常將模具分塊制造，再進(jìn)行整體拼接，生產(chǎn)效率不高。為了得到所需的加工精度，這種由多硬度拼接的大型模具通常采用整體一次性銑削加工完成。

在實(shí)際大型汽車整體件模具生產(chǎn)中，多硬度結(jié)構(gòu)淬硬鋼模具多通過(guò)激光焊接的方式進(jìn)行拼接，不同硬度區(qū)和焊縫之間就形成了三明治夾層結(jié)構(gòu)，依據(jù)淬硬鋼模具的實(shí)際工況不同，通常由3～5種不同硬度的材料由激光焊接形成整體模具，形成了三明治夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型。由于不同部位的材料特性存在差異如硬度差值大、焊接區(qū)材料與母體材料不同，模具的精密銑削加工十分困難，切削力的穩(wěn)定性差、刀具磨損不均勻、銑削穩(wěn)定性差、表面質(zhì)量不均勻及加工效率低。

淬硬鋼材料的切削加工過(guò)程比較復(fù)雜，其過(guò)程中涉及較高的溫度、應(yīng)變率和相變率，難以應(yīng)用解析法來(lái)分析切削過(guò)程，而利用工程切削實(shí)驗(yàn)分析切削過(guò)程實(shí)驗(yàn)成本高、工作效率低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值模擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，借助有限元軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該過(guò)程的仿真模擬。目前，已有不少學(xué)者應(yīng)用有限元軟件開(kāi)展了對(duì)金屬或非金屬材料的切削仿真研究。舒平生[1]對(duì)A357鋁合金的切削加工過(guò)程做了相關(guān)的有限元仿真，在實(shí)際加工中使用仿真獲得的數(shù)據(jù)，得到了較好的加工效果；ZHANG Y C等[2]利用ABAQUS對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行了切削仿真，證明了表明剪切應(yīng)力與摩擦系數(shù)和接觸應(yīng)力有關(guān)；郭淼[3]借助ABAQUS對(duì)LY12合金進(jìn)行了高速切削仿真，分析了加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力，得到了不同刀具參數(shù)、切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律；楊勇等[4]通過(guò)建立正交切削有限元模型，并對(duì)材料的關(guān)鍵技術(shù)，如本構(gòu)關(guān)系、刀屑接觸、切屑斷裂等進(jìn)行了有限元仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果做了驗(yàn)證，兩者結(jié)果基本吻合，表明了該動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的建立方法是有效的；文東輝等[5]借助Advantage Edge仿真了球頭銑刀銑削加工多硬度拼接淬硬鋼的過(guò)程，得到了銑削過(guò)程中切削力、銑削溫度的分布。

上述研究只是涉及單一硬度區(qū)域或者兩個(gè)硬度區(qū)域直接相接的情況，沒(méi)有考慮相鄰硬度區(qū)域之間夾層的影響。本文將利用ABAQUS模擬包含夾層區(qū)域的三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼的切削加工過(guò)程，得到并分析加工過(guò)程中的銑削力和銑削溫度的變化規(guī)律。

1 有限元模型的建立

1.1 材料的本構(gòu)模型

由于夾層材料的物理特性受焊接工藝、與之相接材料特性等因素的影響，很難確定夾層硬度及其他物理參數(shù)，本文對(duì)夾層做了簡(jiǎn)化，用HRC56的Cr12MoV替代夾層區(qū)材料，具體如圖1所示(圖中黑框標(biāo)記為夾層區(qū)域)。

圖1 三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

材料的本構(gòu)模型是材料自身的固有屬性，該參數(shù)在決定材料性能時(shí)起到重要作用，反應(yīng)了材料各參數(shù)如流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等之間的函數(shù)關(guān)系。而在切削加工過(guò)程中，由于工件材料與刀具劇烈摩擦的影響，產(chǎn)生大量的熱的同時(shí)，部分剪切帶來(lái)高應(yīng)變的形成導(dǎo)致了大的塑性變形。只有根據(jù)實(shí)際建立在此大變形下的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，才能盡可能準(zhǔn)確描述加工過(guò)程中材料的彈塑性變形性。而本構(gòu)模型選擇是否合適將直接影響仿真模擬的準(zhǔn)確性[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在做相關(guān)仿真研究時(shí)，最為常用的模型是是J-C模型和ZA模型。ZA模型表達(dá)式為：

(1)

在此基礎(chǔ)上John-Cook模型加入了與切削過(guò)程相關(guān)的參數(shù)，如應(yīng)變硬化效應(yīng)、熱軟化效應(yīng)和應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，使得高應(yīng)變率加工情況下的熱粘塑性可以得以描述。J-C模型所達(dá)式為：

(2)

1.2 切屑的分離準(zhǔn)則

在特定材料下的切削仿真模擬，一個(gè)準(zhǔn)確合理的切屑分離準(zhǔn)則的臨界值不應(yīng)隨著切削條件改變而改變。到目前為止，被應(yīng)用在有限元數(shù)值模擬中的切屑分離準(zhǔn)則主要有以下兩種：

(1)幾何準(zhǔn)則。當(dāng)模型是通過(guò)材料的幾何尺寸的改變來(lái)判斷是否分離的，此種準(zhǔn)則為幾何準(zhǔn)則[7]，使用該準(zhǔn)則前，需人為設(shè)立分離線，從而將切屑和工件的網(wǎng)格分隔開(kāi)，刀具工件有限元模型如圖2(a)所示。當(dāng)切屑與工件發(fā)生分離時(shí)，此時(shí)刀尖和工件的距離達(dá)到了臨界值，幾何準(zhǔn)則具有實(shí)用簡(jiǎn)單、容易判斷的優(yōu)點(diǎn)，但是臨界值的確定需要依靠經(jīng)驗(yàn)，如果臨界值選擇不合理很容易導(dǎo)致結(jié)果不收斂，幾何分離示意圖如圖2(b)所示。

圖2 切屑形成幾何分離準(zhǔn)則

(2)物理準(zhǔn)則。當(dāng)仿真過(guò)程是通過(guò)判斷材料的特定物理量值是否到了臨界值來(lái)判斷工件和切屑是否分離的，這種判斷準(zhǔn)則為物理準(zhǔn)則。ABAQUS軟件中的該種模型采用的是動(dòng)態(tài)斷裂失效準(zhǔn)則模型，并結(jié)合了切削仿真過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，如應(yīng)變、壓力和溫度等，其主要基于單元積分點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變。當(dāng)材料失效參數(shù)超過(guò)1時(shí)，假設(shè)此時(shí)材料發(fā)生失效，與失效相關(guān)的參數(shù)定義為：

(3)

Johnson-Cook模型中失效應(yīng)變的定義為：

(4)

當(dāng)切削過(guò)程達(dá)到失效準(zhǔn)則的臨界值時(shí)，偏應(yīng)力分量被置為零并持續(xù)保持到整個(gè)分析結(jié)束。該失效模型適用于高應(yīng)變率變形的金屬切削，被廣泛用于切削仿真模擬過(guò)程中。

1.3 有限元網(wǎng)格模型的建立

整個(gè)切削過(guò)程由于切屑長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于切屑厚度，所以可以近似認(rèn)為工件在切削過(guò)程處于平面應(yīng)變狀態(tài)。由于工件硬度遠(yuǎn)低于刀具硬度，可以認(rèn)為刀具在切削過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生彈性變形，假定刀具為剛體。本研究分別采用四面體網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格對(duì)工件和刀具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，零件分為3個(gè)硬度區(qū)和2個(gè)焊縫區(qū)，初始溫度設(shè)置為20，建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼切削過(guò)程有限元模型

數(shù)值模擬中所用到的工件材料的物理屬性如表1所示。

表1 工件材料Cr12MoV的物理參數(shù)

刀具選用碳化鎢球頭銑刀，參數(shù)如表2所示。

表2 刀具材料的熱力學(xué)參數(shù)和物理特性

2 有限元結(jié)果分析

2.1 切削熱分析

該仿真過(guò)程刀具的前后角均為8，切削深度為0.1 mm，切削速度為1 000 mm/s。在加工進(jìn)程中，刀具的作用使工件形成切屑，刀具與工件的剪切面區(qū)、后刀面與過(guò)渡平面的接觸區(qū)和刀具前刀面與切屑接觸區(qū)是加工過(guò)程中的3個(gè)發(fā)熱區(qū)，其中，切削熱主要來(lái)自于剪切區(qū)的彈塑性變形的損耗功，而切屑與刀具、工件和后刀面的摩擦也是切削熱主要來(lái)源，這些均使得加工過(guò)程溫度升高。

HRC52硬度區(qū)的切削過(guò)程溫度分布如圖4所示。

從圖4中看出：切屑與刀具的接觸區(qū)溫度最高，主要是因?yàn)樵诘谝蛔冃螀^(qū)內(nèi)形成切屑時(shí)，工件材料的應(yīng)變率極高，溫度較高的切屑在較短時(shí)間內(nèi)不能將熱量擴(kuò)散出去又與刀具前刀面進(jìn)一步摩擦，致使溫度的進(jìn)一步升高[8]；工件過(guò)渡表面的溫度變化區(qū)域較小，而工件內(nèi)部溫度變化基本沒(méi)有。當(dāng)切削速度較高時(shí)，工件材料內(nèi)部的剪切熱源快速移動(dòng)，致使大部分熱量不能迅速傳導(dǎo)至工件內(nèi)部。同時(shí)，因?yàn)椴牧蠠崛葺^低，使得溫度下降較快，已加工表面的溫度短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。

圖4 HRC52硬度區(qū)切削溫度分布

不同硬度區(qū)的切削溫度分布如圖5所示。

圖5 不同硬度區(qū)的切削溫度分布

從圖5可以看出：隨著工件硬度的增加，切削溫度不斷升高，這是因?yàn)殡S著硬度的升高，刀具抵御來(lái)自工件因塑性變形而引起的抗力增大，從而增大了刀具與切屑之間的摩擦力，切削溫度也因此升高。高硬度區(qū)溫度場(chǎng)分布比其他硬度區(qū)的均勻性差。

刀具經(jīng)過(guò)焊縫時(shí)溫度分布如圖6所示。

圖6 刀具經(jīng)過(guò)焊縫時(shí)的溫度分布

刀具在進(jìn)入焊縫前，因?yàn)橐呀?jīng)切削了一段時(shí)間，變形區(qū)域的材料發(fā)生了加工強(qiáng)化，同時(shí)散熱條件變差導(dǎo)致材料塑性增強(qiáng)，發(fā)生在剪切面上的剪切變形首先由于熱軟化大于應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化[9-10]，刀具所受工件塑性變形的抗力變小，摩擦變小，致使工件第一變形區(qū)的溫度降低，如圖6(a)所示。當(dāng)?shù)毒咔腥牒缚p時(shí)，由于工件硬度發(fā)生突變切削過(guò)程的振動(dòng)加劇，導(dǎo)致切削溫度一定程度的增加，但是由于焊縫區(qū)的存在，會(huì)產(chǎn)生斷續(xù)切削，銑削溫度積聚不充分使得溫度沒(méi)有非常明顯的升高，如圖6(b)所示。刀具切出焊縫時(shí)，由于材料的差異切屑發(fā)生局部變形，隨著切削的進(jìn)行，刀具不斷擠壓，焊縫區(qū)和其余區(qū)域切屑溫度升高速度加劇，如圖6(c)所示。切屑變形進(jìn)一步增大，切屑遠(yuǎn)離前刀面使得散熱條件變好，溫度得以降低，如圖6(d)所示。

同等切削參數(shù)下三明治夾層結(jié)構(gòu)與相應(yīng)硬度區(qū)切削溫度分布如圖7所示。

由圖7(a～b)可以看出：?jiǎn)我籋RC52硬度區(qū)切削溫度最高約為322.7 ℃，三明治結(jié)構(gòu)狀態(tài)下HRC52的極限溫度為330 ℃，兩種狀態(tài)下的溫差約為7.3 ℃。從圖7(c,d)可以看出：?jiǎn)我籋RC62硬度區(qū)切削溫度最高約為437.8 ℃，三明治結(jié)構(gòu)狀態(tài)下HRC62的極限溫度為449 ℃，溫差12 ℃。可知：隨著硬度的提高，切削溫度不斷提高，同時(shí)三明治結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的切削溫度比相應(yīng)硬度狀態(tài)下的切削溫度高，這是因?yàn)槿髦螉A層特殊結(jié)構(gòu)，存在不同硬度等物理特性的夾層材料，致使材料間熱量擴(kuò)散變差，使得熱量積聚，引起了溫度的升高。

圖7 同等切削參數(shù)下三明治夾層結(jié)構(gòu)與相應(yīng)硬度區(qū)切削溫度分布

2.2 切削力分析

切削速度為1 000 mm/s，加工深度為0.1 mm時(shí)仿真得到的三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼X方向的切削力如圖8所示。

圖8 三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼切削力數(shù)值模擬

從圖8可以看出：切削力與工件材料的硬度成正比，由于硬度不同切削力分為3個(gè)區(qū)域，刀具切削HRC52硬度區(qū)、HRC62硬度區(qū)、HRC42硬度區(qū)的切削力分別約為230 N、320 N、155 N，工件的焊縫夾層處切削力值發(fā)生了突變，刀具從硬度區(qū)域切入焊縫夾層，切削力發(fā)生突增繼而衰減，當(dāng)從焊縫區(qū)切出進(jìn)入另一硬度區(qū)時(shí)切削力再次發(fā)生突增，高硬度側(cè)的焊縫瞬時(shí)最大切削力大于低硬度側(cè)，相拼接的兩硬度材料硬度差值越大，切削力衰減越明顯，更易引起加工過(guò)程中的振動(dòng)的產(chǎn)生，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量變差。所以在設(shè)計(jì)模具時(shí)盡可能讓三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼兩側(cè)的硬度差小，同時(shí)可以通過(guò)改善焊接工藝使焊縫實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)硬度區(qū)硬度的過(guò)渡，這樣能得到一個(gè)較好的零件加工表面質(zhì)量。

三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼材料銑削實(shí)驗(yàn)的X方向切削力圖如圖9所示。

圖9 三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中在焊縫處與保持仿真相似的規(guī)律，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中刀具切過(guò)焊縫時(shí)切削力衰減更明顯，是因?yàn)槠唇硬煌捕炔牧蠒r(shí)，接縫處存在細(xì)小間隙，在切削到該處時(shí)出現(xiàn)空切現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致較大切削力的衰減。

同等切削條件下三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼與單一硬度淬硬鋼切削力數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖10所示。

圖10 同等切削條件下三明治結(jié)構(gòu)淬硬切削力與單一硬度數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

從圖10可以看出：三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼不同硬度區(qū)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的切削力與單一硬度的切削力值差別不大，說(shuō)明三明治結(jié)構(gòu)僅對(duì)焊縫夾層位置的切削力產(chǎn)生了影響，并未對(duì)其他位置產(chǎn)生作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)本研究通過(guò)ABQUS仿真軟件，基于物理失效切屑分離準(zhǔn)則、Johnson-Cook本構(gòu)模型，建立了三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼Cr12MoV的銑削數(shù)值分析模型，對(duì)三明治結(jié)構(gòu)淬硬鋼的銑削加工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬；

(2)本研究分析了銑削過(guò)程過(guò)焊縫夾層位置的溫度分布，并對(duì)比了同等切削參數(shù)下三明治結(jié)構(gòu)與相應(yīng)硬度區(qū)切削溫度的分布，發(fā)現(xiàn)隨著工件硬度的增加，切削溫度也隨之升高，同時(shí)夾層結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致其切削溫度與相應(yīng)硬度區(qū)的切削溫度有一定程度的增加；

(3)通過(guò)分析過(guò)程切削力發(fā)現(xiàn)，切削力與工件的硬度成正比，拼接的兩硬度材料硬度差值越大，切削力衰減越明顯，更易引起加工過(guò)程中的振動(dòng)的產(chǎn)生，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量變差，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小不同硬度區(qū)的硬度差值，同時(shí)可以通過(guò)改善焊接工藝使焊縫實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)硬度區(qū)硬度的過(guò)渡，這樣能得到一個(gè)較好的零件加工表面質(zhì)量。

本文獲得的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際切削呈現(xiàn)相似規(guī)律，一定程度上可以為實(shí)際切削提供理論指導(dǎo)。