(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154007)

一、引言

淬硬鋼材料為冷作模具鋼Cr12MoV，它的硬度、強(qiáng)度均比Cr12要高。在制造形狀復(fù)雜、截面積較大的各種模具時(shí)，經(jīng)常采用這種材料。Cr12MoV以良好的性能廣泛應(yīng)用于許多零件，但淬硬鋼的強(qiáng)度和硬度對(duì)切削加工有較高的要求。針對(duì)此類(lèi)材料的加工行程進(jìn)行研究，改善加工參數(shù)，對(duì)提高加工效率和質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重大意義。

而模具的高速切削是近年來(lái)興起來(lái)的一種新型加工技術(shù)。它可以改善模具的加工質(zhì)量。而傳統(tǒng)的切削過(guò)程研究依靠單純的試驗(yàn)手段，且切削過(guò)程中的切削力、表面損傷等參數(shù)很難準(zhǔn)確獲得。Deng和Shet進(jìn)行了二維銑削過(guò)程分析。董輝躍等采用雙斜角切削模型的銑削仿真只能針對(duì)單刀齒進(jìn)行。根據(jù)調(diào)查，球頭銑刀的銑削過(guò)程仿真，在研究殘余應(yīng)力及應(yīng)變的較少。

二、建立有限元模型

(一)有限元模型建立

本文采用CREO軟件建立的刀具模型，以中間格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入仿真軟件中。刀具的基本參數(shù)對(duì)切削效果影響很大。本篇論文中所用到的球頭銑刀片是由山特維克集團(tuán)所制造。銑削有限元模型見(jiàn)圖1，刀具運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖1銑削有限元模型

圖2 刀具運(yùn)行狀態(tài)圖

(二)劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)仿真結(jié)果有重很大影響，它不僅影響結(jié)果的精度，更影響仿真時(shí)間，因此需要結(jié)合實(shí)際情況確定合適的網(wǎng)格數(shù)。軟件具有自適應(yīng)網(wǎng)格生成功能，可以根據(jù)切削條件定義網(wǎng)格密度。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格的最小單位尺寸是工件進(jìn)給最小單位尺寸的1/3。圖3顯示了刀具和工件網(wǎng)格劃分。

經(jīng)過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)比我們工件將網(wǎng)格數(shù)目劃分為10000，刀具默認(rèn)剛體。深色部分為切削網(wǎng)格細(xì)化部分，細(xì)化比率為0.1，保證仿真過(guò)程的準(zhǔn)確性。本文釆用的是物理分離準(zhǔn)則:當(dāng)?shù)毒吲c切屑接觸點(diǎn)的壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力值超0.1MPa時(shí)，判定單元節(jié)點(diǎn)分離。

圖3 刀具工件網(wǎng)格劃分

(三)材料模型的建立

目前很多研究都基于已有的材料本構(gòu)模型來(lái)展開(kāi)。美國(guó)Ohio州立大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始著手建立切削模型材料數(shù)據(jù)庫(kù)，其部分材料本構(gòu)模型已經(jīng)封裝到Deform材料庫(kù)中。本文采用的工件材料是材料庫(kù)中的AISI D2，即淬硬鋼;刀具材料為P20、刀具涂層TiALN。選取的材料特性如表1所示。

表1 AISI D2和P20的材料特性

三、模擬仿真及結(jié)果分析

根據(jù)上述所述完成切削仿真前處理，進(jìn)行切削仿真分析。根據(jù)多方查閱數(shù)據(jù)，我們將最終最優(yōu)的銑削參數(shù)設(shè)定為為:主軸轉(zhuǎn)速7000r/min、進(jìn)給量0.15mm/r、深度0.15mm、刀具直徑12mm、刀具材料為P20、涂層厚度2微米、工件材料為AISI D2進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)仿真分析得到圖4所示的表面形狀及損傷分析隨時(shí)間變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，零件加工表面的相對(duì)最低表面是被加工零件的表面損傷對(duì)被加工表面其他表面形貌的顏色分布。通過(guò)觀察可以看出，零件加工表面相對(duì)最小區(qū)域的表面損傷值最高，從數(shù)值上看，損傷從0逐漸增加到5.96。

加工件表面殘余應(yīng)力分布如圖5所示。通過(guò)觀察零件切削表面殘余應(yīng)力的分布情況，可以得出殘余應(yīng)力主要分布在零件加工表面的相對(duì)最低表面上，應(yīng)力的最大值可以達(dá)到約169MPa，最小值約為88.8MPa。應(yīng)力值的分布也大致呈階梯狀。切削表面上的應(yīng)變分布如圖6所示。根據(jù)切削表面的應(yīng)變分布可以看出，隨著刀具的切削方向，表面應(yīng)變逐漸增大。切削開(kāi)始時(shí)，應(yīng)變相對(duì)較小。隨著刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)表面的應(yīng)變逐漸變大，最高可達(dá)約5.34mm/mm左右。

圖4 零件加工后的表面形貌

圖5 零件切削表面的殘余應(yīng)力分布圖

圖6 切削表面的應(yīng)變分布情況

四、結(jié)論

金屬切削是切削力、熱耦合和切屑形成的過(guò)程。本文應(yīng)用Deform-3D軟件完成對(duì)Cr12MoV的銑削仿真建模，并對(duì)選取的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，包括表面形貌、損傷、殘余應(yīng)力、應(yīng)變等的分析，得出了相應(yīng)的結(jié)論。通過(guò)對(duì)淬硬鋼模具高速銑削過(guò)程的有限元模擬，得到了銑削過(guò)程中被加工表面的一些數(shù)據(jù)參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，可以幫助相關(guān)人員對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，并對(duì)其相關(guān)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷。為淬硬鋼材料切削參數(shù)的選擇提供了理論參考，為研究其它金屬材料的切削過(guò)程提供了參考。