吳錦行，何 林，占 剛，蔣宏婉，吳艷英

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025；3.六盤(pán)水師范學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553004；4.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000；5.貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003)

0 引言

金屬切削加工過(guò)程中，由于刀具與工件的相互作用，將在刀屑接觸區(qū)域產(chǎn)生高溫、高壓，不少研究表明，刀屑接觸區(qū)域的溫度分布，對(duì)刀具磨損影響關(guān)鍵。而刀具的磨損將引起刀具壽命下降。刀屑接觸區(qū)域溫度場(chǎng)、刀具切削溫度的研究一直以來(lái)受到廣泛關(guān)注。

于占江等[1]為了減小切削過(guò)程中刀具前刀面摩擦嚴(yán)重的問(wèn)題，在車(chē)刀前刀面，利用激光加工出微槽、微織構(gòu)，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明：微槽、微織構(gòu)刀具能有效降低刀具表面摩擦因數(shù)，減小切削力，降低切削溫度，有效改善加工工件表面質(zhì)量。符永宏等[2]利用激光器在YG6X硬質(zhì)合金刀片上加工凹槽織構(gòu)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌疾蹘缀螀?shù)能夠提高刀具的切削性能，凹槽間距越小，凹槽方向與切削流向的夾角越大，切屑與刀具的粘結(jié)程度越輕。張高峰等[3]利用金剛石壓頭劃痕法在硬質(zhì)合金刀具前刀面制備了平行微織構(gòu)，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)及測(cè)試，表明微織構(gòu)有助于降低摩擦因數(shù)。王霄等[4]在刀-屑接觸區(qū)域分別建立了庫(kù)侖摩擦模型和粘結(jié)-滑移摩擦模型，粘結(jié)-滑移摩擦模型更符合實(shí)際的摩擦模型，表明在金屬切削過(guò)程中，同時(shí)在刀屑接觸區(qū)域存在粘結(jié)和滑移摩擦。Tatsuya Sugihara等[5]在刀具前刀面陣列出近似與切削刃平行的微納織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)微納織構(gòu)可以提高切屑與刀具的抗粘效果，且對(duì)微納織構(gòu)進(jìn)行鏡面拋光，會(huì)更進(jìn)一步增加刀具抗粘性和潤(rùn)滑性。本文基于溫度場(chǎng)對(duì)刀具前刀面進(jìn)行微槽創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)粉末冶金工藝壓制微坑車(chē)刀，通過(guò)刀具切削力學(xué)模型和接觸模型研究其降溫機(jī)理。

1 微坑刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提供車(chē)刀為某工廠提供。切削工件時(shí)，刀具的相關(guān)角度如表1所示，切削的工件材料為304不銹鋼，切削用量為：切削速度為115m/min，切削深度為1.5mm，進(jìn)給速度為0.15mm/r。通過(guò)切削仿真模擬后，根據(jù)刀具前刀面溫度場(chǎng)云圖，高溫集中于前刀面切削刃近域。在原車(chē)刀前刀面高溫集中區(qū)域選取合適的溫度范圍作為微坑造型曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)相關(guān)軟件逆向曲面造型，導(dǎo)入三維軟件進(jìn)行微坑三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

圖1 微坑車(chē)刀設(shè)計(jì)過(guò)程

刀具角刀尖角前角后角主偏角刃傾角value(°)808795-5

2 車(chē)削力學(xué)模型

切削加工過(guò)程中，刀具前刀面與切屑發(fā)生劇烈的擠壓與摩擦，前刀面是工作最為惡劣的區(qū)域，形成高溫、高壓環(huán)境。切屑成形是一種復(fù)雜的塑性變形過(guò)程，工件材料表面發(fā)生塑性變形，形成新的加工表面。

圖2 切屑受力平衡圖

由圖形切屑的受力關(guān)系，可得：

Fn=Frycosβ

(1)

Ff=Fzsinγ0+Fycosγ0

(2)

Fz=Fn(cosγ0+sinγ0tanβ)

(3)

Fy=Frysin(β-γ0)

(4)

Fs=Fz(cosφ-sinφtan(β-γ0))

(5)

(6)

其中，γ0為刀具前角，φ為剪切前，β為摩擦角，F(xiàn)z、Fy為主切削力和進(jìn)給抗力。

3 切削仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 切削仿真

切削刀具為成都研究所提供的專(zhuān)用刀具，刀體材料為K20硬質(zhì)合金，刀具涂層TiCN(5μm)。工件和刀具的材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 工件和刀具的性能參數(shù)

(a) 原車(chē)刀溫度場(chǎng)分布

(b) 微坑車(chē)刀溫度場(chǎng)分布 圖3 前刀面溫度分布場(chǎng)

3.2 切削試驗(yàn)

刀具切削試驗(yàn)在型號(hào)為C6136HK車(chē)床上進(jìn)行，外接三向測(cè)力儀系統(tǒng)Kistler作切削力測(cè)試，刀具角度，刀具和工件材料的性能參數(shù)與仿真的數(shù)據(jù)一致。

為了保證試驗(yàn)過(guò)程的一致性，原車(chē)刀和微坑車(chē)刀切削條件保持一致，切削相同的時(shí)間，重復(fù)采集數(shù)據(jù)5次，取其算術(shù)平均值作為其數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)Kistler系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，原車(chē)刀，微坑車(chē)刀的平均進(jìn)給力、切深抗力、主切削力、切削合力分別為：292.30N、112.50N、540.52N、622.53N；219.80N、93.57N、491.24N、546.39N。如圖4所示。

圖4 原車(chē)刀和微坑車(chē)刀切削力對(duì)比

3.3 刀具磨損對(duì)比

切削過(guò)程中，刀具受到切屑和工件的擠壓和摩擦產(chǎn)生磨損。刀具的磨損會(huì)導(dǎo)致切削過(guò)程切削力增大，切削溫度升高，影響加工工件表面質(zhì)量，同時(shí)刀具磨損直接影響刀具壽命[8]。本論文設(shè)計(jì)了原車(chē)刀和微坑車(chē)刀切削過(guò)程刀具的磨損試驗(yàn)，對(duì)比了相同時(shí)間刀具的后刀面磨損情況如表3所示，磨損曲線如圖5所示。

圖5 原車(chē)刀和微坑車(chē)刀后刀面磨損曲線

4 結(jié)果與討論

4.1 切削力對(duì)比

切削刃近域微坑離切削刃平均距離為0.15mm，由于微坑的置入使切屑與刀具的接觸模型發(fā)生了變化，切屑所受合力較原車(chē)刀以合力作用線為軸心的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。微坑使得刀具切削刃變得鋒利，摩擦減小，剪切區(qū)變形減小[9]，剪切角變大，摩擦角減小。通過(guò)切削試驗(yàn)測(cè)試，獲得微坑車(chē)刀和原車(chē)刀主切削力Fz，進(jìn)給抗力Fy的值，代入式(1)～(5)，并依據(jù)已知條件，可求出切削合力大小。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微坑車(chē)刀主切削力Fz、進(jìn)給抗力Fy、切削合力Fry均有減小。車(chē)削過(guò)程中，切除金屬材料切削能可用式(7)～式(9)表示。

(7)

(8)

(9)

其中，Vc切削速度，V為切屑速度，Vs剪切速度。a為切削厚度，aw切削寬度，ac切屑厚度。

原車(chē)刀和微坑車(chē)刀在切削條件相同條件下,由于切削過(guò)程，主切削力Fz、切向力Fs、切削摩擦力Ff減小，總輸入能Ns、剪切能Nss、摩擦能Nsf均減小，微坑車(chē)刀切削能量輸入減小。

4.2 刀屑接觸的變化

研究表明，刀屑接觸界面的摩擦狀態(tài)主要分為兩種：一個(gè)是靠近刀尖的內(nèi)摩擦區(qū)，由于此區(qū)域存在高溫高壓，切屑底層發(fā)生嚴(yán)重塑性變形與工具前刀面材料發(fā)生粘結(jié)，稱(chēng)為粘結(jié)摩擦區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)摩擦剪切應(yīng)力等于工件材料的剪切強(qiáng)度；另外一個(gè)是刀屑接觸區(qū)遠(yuǎn)離刀尖的外摩擦區(qū)，此區(qū)域壓力和溫度較低，因而為滑動(dòng)摩擦狀態(tài),摩擦剪切應(yīng)力可用庫(kù)侖摩擦定律計(jì)算[10-11]。也就是說(shuō)，在粘結(jié)摩擦區(qū)內(nèi)，摩擦剪切應(yīng)力恒定；在滑移摩擦區(qū)內(nèi)，摩擦因數(shù)恒定。前刀面上的摩擦

剪切應(yīng)力可由式(10)表示，刀屑接觸模型如圖6所示。

(a) 原車(chē)刀 (b) 微坑車(chē)刀 圖6 刀屑接觸模型

(10)

由式(10)，當(dāng)距刀尖距離0≤x≤l1時(shí)，切屑與刀具接觸區(qū)域溫度達(dá)到近1000°C，壓力約為3GPa，切屑發(fā)生塑性變形，切削過(guò)程中切屑與刀具發(fā)生冷焊，也即粘結(jié)摩擦區(qū)。因此，該區(qū)域剪切摩擦應(yīng)力等于工件的剪切屈服強(qiáng)度。當(dāng)l1≤x≤l2時(shí)，切屑與刀具接觸為滑動(dòng)摩擦，符合庫(kù)倫摩擦定律，此時(shí)摩擦力大小為摩擦因數(shù)與法向力的乘積，遠(yuǎn)小于粘結(jié)摩擦區(qū)的摩擦力。

微坑車(chē)刀由于在切削刃近域減小了切屑與刀具的接觸面積，縮短了粘結(jié)摩擦區(qū)的長(zhǎng)度，而粘結(jié)摩擦區(qū)又是刀屑接觸區(qū)主要熱源，產(chǎn)生熱量為總熱量的近80%。因此，刀屑接觸區(qū)熱量輸入減小，溫度降低，從圖7看出，微坑車(chē)刀切削過(guò)程中，前刀面最高溫度低于微坑車(chē)刀，原車(chē)刀最高溫度712.3C°，微坑車(chē)刀最高溫度623.3C°，降幅為16%。

從表3也可以看出，微坑車(chē)刀相較于原車(chē)刀，相同時(shí)間內(nèi)刀具磨損量減小。刀具抗磨性得到一定提高，刀具壽命得到延長(zhǎng)。

圖7 原車(chē)刀和微坑車(chē)刀切削溫度對(duì)比

5 結(jié)論

基于溫度場(chǎng)在刀具切削刃近域進(jìn)行微坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)切削仿真和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)切削過(guò)程中，微坑車(chē)刀較原車(chē)刀切削力、刀具磨損、切削溫度均有改善，結(jié)合二維切削力學(xué)模型，刀具切屑接觸界面摩擦模型，微坑構(gòu)造特點(diǎn)分析，得出結(jié)論如下：(1)微坑車(chē)刀切削過(guò)程，刀屑接觸面積減小，切屑變形減小，摩擦力Ff減小，主切削力Fz，進(jìn)給抗力Fy均減小，切削能，剪切能輸入減小。

(2)切削相同時(shí)間，微坑刀具磨損減小，刀具抗磨性，耐用度有一定提高。

(3)微坑車(chē)刀減小了刀屑接觸區(qū)中粘結(jié)摩擦區(qū)的長(zhǎng)度，粘結(jié)摩擦區(qū)為切削主要產(chǎn)熱區(qū)，因此，減小了切削過(guò)程熱量的輸入使切削溫度降低，微坑車(chē)刀較原車(chē)刀溫度降幅為16%。