姜增輝 宋亞洲 賈民飛

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

高強(qiáng)度鋼作為近些年來崛起的新型材料，因其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫及良好的成形性等特點(diǎn)被廣泛用于汽車、建筑、國防科技等各個(gè)領(lǐng)域[1］。這類高強(qiáng)度鋼在切削加工過程中刀具磨損嚴(yán)重，為了對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行合理的選擇，提高加工效率和改善工件表面質(zhì)量，對(duì)高強(qiáng)度鋼切削中刀具磨損規(guī)律的研究就顯得十分的重要。

通過仿真研究刀具磨損具有成本相對(duì)較低、可選研究參數(shù)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐漸受到一些學(xué)者的關(guān)注。岳蕓[2］通過運(yùn)用DEFORM-3D軟件，采用Usui刀具磨損模型研究了合金鋼30CrNiMo8材料在不同切削參數(shù)下的刀具磨損情況，驗(yàn)證了有限元法研究刀具磨損的合理性。李堯等人[3］基于 ABAQUS進(jìn)行了30CrMnSiA合金鋼正交切削有限元仿真模擬，得到切削時(shí)最佳的主軸轉(zhuǎn)速。Yen[4］等運(yùn)用DEFORM-2D，利用Kitagawa修正后的Usui差分磨損模型，獨(dú)立地開發(fā)了一種能夠同時(shí)對(duì)刀具的前后刀面進(jìn)行磨損預(yù)測(cè)研究的系統(tǒng)。Xie[5-6］等采用ABAQUS建立了一種能夠?qū)Φ毒叩那昂蟮睹婺p進(jìn)行預(yù)測(cè)的系統(tǒng)。

本文基于AdvantEdge建立硬質(zhì)合金刀具切削高強(qiáng)度鋼34CrNiMo6的刀具磨損模型，研究切削加工這類高強(qiáng)度鋼時(shí)刀具幾何角度對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律。

1 基于Usui模型的刀具磨損仿真建模

1.1 建立硬質(zhì)合金刀具Usui磨損模型

(1)Usui磨損模型

基于最小能量法的Usui磨損模型[7-8］如下:

式中:為刀具磨損率，mm/min；P、Q(K)為常數(shù)；σn為刀具表面所受到的切削應(yīng)力，MPa；vs為工件材料相對(duì)于刀具的滑移速度，mm/s；T為刀具的切削溫度，℃。

Usui磨損模型中常量P和Q對(duì)于不同的刀具材料和工件材料取值不同。為求得硬質(zhì)合金刀具切削高強(qiáng)度鋼的P和Q，可先試驗(yàn)得到刀具磨損率，然后通過仿真得到的σn、vs、T值，再由公式(1)求得常量P和Q。

(2)基于Usui的硬質(zhì)合金刀具磨損模型

引用文獻(xiàn)[9］中硬質(zhì)合金刀具切削高強(qiáng)度鋼34CrNiMo6磨損試驗(yàn)得到的后刀面磨損量VB與切削時(shí)間關(guān)系曲線，可求得3種切削速度下的刀具磨損率，并通過切削仿真獲取同樣條件下刀具表面的切削應(yīng)力、刀屑滑動(dòng)速度和切削溫度，如表1所示。

表1 3 種切削速度下的σn、vs、T 及

表1 3 種切削速度下的σn、vs、T 及

vc/(m/min)T/℃σn/(N/mm2)vs/(mm/s)w˙/(mm/min)80 717.455 1 164.734 1 142.950 1.405×10-3 120 802.228 1 064.877 1 534.092 1.687×10-3 160 846.855 1 056.193 2 072.383 1.968×10-3

由表1中數(shù)據(jù)，再以x＝1/T為橫坐標(biāo)，以y＝ln(w/σnVs)為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合可以得到斜率Q和截距l(xiāng)nP，從而可以計(jì)算得到P和Q的值:

由此，硬質(zhì)合金刀具切削高強(qiáng)度鋼的磨損仿真Usui模型為:

1.2 刀面磨損仿真及后刀面磨損帶測(cè)量

(1)刀具磨損仿真

由公式(2)模型，通過AdvantEdge FEM進(jìn)行刀具磨損仿真。刀具采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，仿真切削過程為正交干式切削，仿真刀具的主要幾何參數(shù)和切削參數(shù)如表2、3所示。

仿真刀具磨損結(jié)果如圖1所示。

(2)后刀面磨損帶最大寬度測(cè)量

刀具后刀面的磨損帶最大寬度測(cè)量的方法如圖2所示。

切削過程中刀具后刀面磨損帶最大寬度VBmax如表4所示。

表2 刀具主要幾何參數(shù)

表3 切削參數(shù)

表4 后刀面最大磨損量

2 刀具磨損仿真模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選擇仿真相同的34CrNiMo6高強(qiáng)度鋼，硬度為322 HB。工件尺寸規(guī)格為直徑?160 mm×75 mm。

實(shí)驗(yàn)刀片選用的是株洲鉆石公司生產(chǎn)的牌號(hào)為YBC251硬質(zhì)合金刀片，型號(hào)為CNMG120408-PM，刀具刃口半徑為0.02 mm，主切削刃后角為0°，前角為5°，刀柄選用的型號(hào)是MCLNR2525M12。

車床為J1MK460高速精密車床，機(jī)床最大工件的回轉(zhuǎn)直徑為460 mm，主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)為12，轉(zhuǎn)速范圍為25～1 500 r/min，主電動(dòng)機(jī)功率為7.5 kW。

采用超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-1000測(cè)量刀具后刀面磨損。圖3為實(shí)驗(yàn)得到的硬質(zhì)合金刀具切削高強(qiáng)度鋼34CrNiMo6后刀面的磨損形貌及測(cè)量結(jié)果。后刀面最大磨損量如表5所示。

表5 后刀面最大磨損量

2.2 后刀面磨損對(duì)比驗(yàn)證

圖4為實(shí)驗(yàn)與仿真的后刀面最大磨損對(duì)比?？梢钥闯?，刀具磨損初期仿真磨損量大于實(shí)驗(yàn)?zāi)p量，隨著切削繼續(xù)進(jìn)行刀具進(jìn)入正常磨損階段后，實(shí)驗(yàn)?zāi)p量小于仿真磨損量。這主要是由于刀具在仿真過程中假設(shè)不存在彈性讓刀的現(xiàn)象，而在實(shí)際切削過程中刀具會(huì)產(chǎn)生輕微彈性讓刀，從而減小了后刀面的實(shí)際磨損量。總體來看，后刀面磨損的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果還是比較接近的，可以證明仿真模型的有效性。

3 刀具幾何角度對(duì)后刀面磨損影響的仿真研究

3.1 仿真研究方案

為研究刀具主要幾何角度對(duì)后刀面磨損的影響規(guī)律，以刀具刃口半徑ρ、刀具前角γ0、刀具后角α0作為3個(gè)主要因素，建立三因素四水平的正交仿真研究方案，仿真方案如表6所示。

仿真切削參數(shù)統(tǒng)一選擇為:切削速度vc＝100 m/min、進(jìn)給量為fa＝0.3 mm/r、切削深度為ap＝1 mm、切削長(zhǎng)度L＝100 m、干切削。

3.2 極差分析

(1)正交仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)L16(43)正交實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，其后刀面磨損最大寬度如表7所示。

表6 L16(43)正交仿真實(shí)驗(yàn)方案

表7 L16(43)正交仿真實(shí)驗(yàn)后刀面磨損量

(2)后刀面磨損極差分析

后刀面磨損帶最大寬度VBmax的極差分析結(jié)果如表8所示。由極差值得到對(duì)后刀面磨損影響的各個(gè)因素主次順序?yàn)?刃口半徑＞刀具前角＞刀具后角。

表8 后刀面磨損量仿真結(jié)果極差表 mm

從對(duì)極差值的分析可以看出刀具刃口半徑和刀具前角對(duì)后刀面磨損的影響程度大于刀具后角。從表8可知在選定的研究參數(shù)范圍內(nèi)，刀具幾何角度的最優(yōu)方案為A1B4C4，即后刀面磨損最小的刀具角度組合為:ρ＝0.01 mm，γ0＝10°，α0＝16°。

3.3 直觀分析

如圖5所示是根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)做出切削參數(shù)對(duì)后刀面磨損量影響的直觀分析圖。由此可知，隨著刀具刃口半徑的增大，后刀面的磨損量呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)。刀具前角、后角增大，后刀面磨損量有明顯的下降趨勢(shì)。

4 結(jié)語

(1)建立了硬質(zhì)合金刀具切削高強(qiáng)度鋼34CrNiMo6的刀具磨損仿真模型。

(2)通過正交仿真實(shí)驗(yàn)得到在研究參數(shù)范圍內(nèi)刀具幾何角度對(duì)刀具后刀面磨損影響的主次順序?yàn)?刀具刃口半徑＞刀具前角＞刀具后角。

(3)通過對(duì)極差分析結(jié)果的直觀分析得到在研究參數(shù)范圍內(nèi)后刀面磨損量隨著刃口半徑的增大而增大，隨著刀具前角和后角的增大而減小。