周知進(jìn)，康紅軍，劉愛軍

（1.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

1 引言

ZL109 由于比重小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、耐磨、便于回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、坦克及船用發(fā)動(dòng)機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。但從切削性能來(lái)看，ZL109 屬于難加工材料，刀屑易粘結(jié)，易形成積屑瘤，同時(shí)對(duì)刀具磨料磨損也很嚴(yán)重。當(dāng)用PCD 刀具車削鋁合金，刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，很多學(xué)者已進(jìn)行過許多研究。文獻(xiàn)[1]研究PCD 刀具車削鋁合金6063A時(shí)，發(fā)現(xiàn)刀具前角、后角和刀尖圓弧半徑對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[2]通過PCD 刀具車削加工BH122A 硅鋁合金活塞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)刀尖圓弧半徑的最佳范圍值為（0.8～0.35）mm。文獻(xiàn)[3]對(duì)不同刀具前角下的切削過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]通過實(shí)驗(yàn)研究，闡述了刀具前角對(duì)主切削力的影響規(guī)律。目前為止，AdvantEdge FEM 有限元軟件的工件材料庫(kù)中也沒有ZL109 鋁合金材料，具體針對(duì)PCD刀具車削ZL109 鋁合金優(yōu)選刀具幾何參數(shù)進(jìn)行仿真的還存在空白。通過AdvantEdge FEM 有限元軟件結(jié)合本構(gòu)模型參數(shù)自定義ZL109 鋁合金材料，模擬刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，從而優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)。

2 ZL109 本構(gòu)模型參數(shù)確定

Johnson-Cook 材料本構(gòu)模型是一個(gè)能反映應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)的理想剛塑性強(qiáng)度模型，是一個(gè)適用于描述金屬材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的本構(gòu)模型。

本構(gòu)模型表達(dá)式如下：

式中：σ—屈服應(yīng)力（MPa）；ε—等效塑性應(yīng)變（無(wú)量綱量）—應(yīng)

通過利用材料試驗(yàn)機(jī)和SHPB 裝置對(duì)ZL109 進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了ZL109 鋁合金的Johnson-Cook 本構(gòu)方程參數(shù)，如表1 所示。

表1 ZL109 鋁合金Johnson-Cook 本構(gòu)方程參數(shù)Tab.1 Johnson-Cook Constitutive Equation Parameter of ZL109 Aluminum Alloy

3 刀具參數(shù)仿真分析

3.1 切削加工仿真參數(shù)設(shè)置

刀具參數(shù)：PCD聚晶金剛石，前角2°，后角9°，切削刃半徑0.04mm。工件：ZL109鋁合金，長(zhǎng)度6mm，高度3mm。由于AdvantEdge FEM 軟件工件材料庫(kù)中沒有ZL109 鋁合金，為實(shí)現(xiàn)該材料的切削仿真，采用軟件自帶的Custom Materials 材料自定義模塊，選擇Johnson-Cook 本構(gòu)模型定義ZL109 鋁合金[6]。切削參數(shù)：采用半精車外圓工藝參數(shù)，其中進(jìn)給量f為0.6mm/r，背吃刀量0.5mm，切削速度V為350m/min，切削長(zhǎng)度5mm，初始溫度To為20℃。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 刀具前角對(duì)切削性能的影響

為了研究PCD 刀具在車削鋁合金時(shí)，其前角對(duì)切削性能的影響，采用單因素法對(duì)PCD 刀加工ZL109 的過程進(jìn)行模擬。選取半精車活塞外圓參數(shù)保持不變，只對(duì)刀具前角進(jìn)行改變。前角分別為-10°、-4°、2°、8°、12°和18°。通過模擬PCD 刀車削ZL109 鋁合金的結(jié)果，如圖1、圖2 所示。由圖1 可以看出，隨著刀具前角的增大，刀具的平均切削力呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)，剪切角也會(huì)相應(yīng)增大，切削變形會(huì)減小，切屑對(duì)前刀面的摩擦阻力也會(huì)減小，從而使兩個(gè)方向的平均切削力都隨前角增大而減小。從圖2 可以得出，刀尖溫度隨前角的增大而不斷降低，并且下降的幅度有所減小。當(dāng)?shù)毒咔敖窃龃髸r(shí)，剪切角變大，切屑變形程度會(huì)下降，與前刀面的摩擦減小，排屑變順暢，散熱條件有所改善。因此，刀具溫度會(huì)有所下降。但當(dāng)前角繼續(xù)增大后，過大的刀具前角會(huì)使刀具熱傳導(dǎo)性變差，刀體變薄，散熱條件變差，刀具溫度下降的幅度會(huì)有所降低。

圖1 切削力隨前角變化Fig.1 Cutting Force Along with Rake Angle Variation

圖2 刀尖溫度隨前角變化Fig.2 Peak Tool Temperature Along with Rake Angle Variation

3.2.2 刀具后角對(duì)切削性能的影響

為了研究PCD 刀具在車削鋁合金時(shí)，其后角對(duì)切削性能的影響情況，則選取不同的刀具后角進(jìn)行切削模擬仿真，后角具體為2°、6°、9°、12°、16°和20°。

當(dāng)模擬PCD 刀車削ZL109 鋁合金切削過程達(dá)到穩(wěn)定情況后，平均切削力和刀尖溫度隨后角變化曲線圖，如圖3、圖4 所示。

圖3 切削力隨后角變化Fig.3 Cutting Force with Behind Angle Variation

圖4 刀尖溫度隨后角變化Fig.4 Peak Tool Temperature with Behind Angle Variation

由圖3、圖4 可以得出，PCD 車刀后角的變化對(duì)刀具平均切削力影響并不是很大，基本在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)。而刀尖溫度隨后角變化呈上升趨勢(shì)。后角對(duì)刀具切削性能的影響較大，尤其是在加工塑性較大的工件時(shí)，由于已加工表面的彈性恢復(fù)大，會(huì)對(duì)刀具后刀面的磨損產(chǎn)生影響。而過大的后角能增加刀具的鋒利程度，但會(huì)大大降低刀具的熱傳導(dǎo)性。圖4 顯示刀尖溫度呈上升趨勢(shì)就是由于刀具熱傳導(dǎo)性變差引起的，過高的刀具溫度會(huì)降低刀具的使用壽命。因此，合理選擇刀具后角對(duì)提高刀具切削性能有重要影響。

由于信息和相關(guān)視頻在網(wǎng)絡(luò)傳播存在“時(shí)間差”，此事在中國(guó)網(wǎng)友間所引發(fā)的強(qiáng)烈反應(yīng)經(jīng)歷了戲劇性的“反轉(zhuǎn)”，許多“圍觀者”最初普遍同情三名同胞的遭遇，并對(duì)瑞典方面的“疑似種族歧視行為”表示強(qiáng)烈不滿，但隨著各方提供的細(xì)節(jié)和視頻大量涌現(xiàn)，不少人發(fā)現(xiàn)3名“受害人”早先散布的消息經(jīng)過剪裁取舍，許多信息并不一定屬實(shí)，而他們的某些做法和形象也令人難以認(rèn)同和接受，開始紛紛表達(dá)對(duì)酒店、警方的理解和對(duì)3人的不滿，有些人甚至遷怒于介入進(jìn)行領(lǐng)事援助的中國(guó)使領(lǐng)館，認(rèn)為“不該是非不分給這種人幫忙”。

3.2.3 刀具刀尖圓弧半徑對(duì)切削性能的影響

為了研究PCD 刀具在車削鋁合金時(shí)，其刀尖圓弧半徑對(duì)切削性能的影響情況，選取不同的刀具刀尖圓弧半徑進(jìn)行切削模擬仿真，刀具圓弧半徑分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm 和1.6mm。

模擬PCD 刀車削ZL109 鋁合金，當(dāng)切削過程達(dá)到穩(wěn)定情況后，平均切削力和刀尖溫度隨刀尖圓弧半徑變化曲線圖，如圖5、圖6 所示。

圖5 切削力隨刀尖圓弧半徑變化Fig.5 Cutting Force Along with Nose Radius Variation

圖6 刀尖溫度隨刀尖圓弧半徑變化Fig.6 Peak Tool Temperature Along with Nose Radius Variation

由圖5、圖6 可以得出，刀具的平均切削力隨刀尖圓弧半徑的增加而增大。刀尖圓弧半徑越大，圓弧刀刃參與作業(yè)比例越多，切削變形和摩擦越大，切削力也增大。此外，由于圓弧刀刃上主偏角是變化的，隨著刀尖圓弧半徑的增大，參加工作刀刃上主偏角的平均值減小，切削厚度將會(huì)減小，切削變形增大，故切削力也將增大。而刀尖溫度隨刀尖圓弧半徑的增加先是上升，之后有下降，最后再上升。當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑增大時(shí)，平均主偏角減小，切削厚度也隨之減小，此時(shí)會(huì)隨著切削力的增大而導(dǎo)致生熱的增加。隨著刀尖圓弧半徑繼續(xù)增大，切削刃工作長(zhǎng)度變長(zhǎng)，刀尖變鈍，刀具散熱條件變好，散熱條件的影響超過切削力的影響，切削溫度將下降。最后，散熱條件的影響變小，切削力成為主要影響因素，刀具切削溫度將上升。

3.3 驗(yàn)證

3.3.1 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)選后刀具幾何參數(shù)是否滿足要求，對(duì)三組最優(yōu)組合進(jìn)行有限元模擬仿真。由于切削用量選取的是半精車外圓的切削參數(shù)，不考慮工件的加工表面質(zhì)量。刀具原有結(jié)構(gòu)參數(shù)為前角γ0=2°，后角α0=9°，刀尖圓弧半徑r=1mm，但在AdvantEdge 的三維仿真中，無(wú)法將后角和刀尖圓弧半徑定義為任意的值，只能定義為某些特定的值，因此，假定刀具原有結(jié)構(gòu)參數(shù)為前角γ0=2°，后角α0=7°，刀尖圓弧半徑r=1.2mm。其他切削條件保持不變，通過仿真模擬后，得到優(yōu)選前后的結(jié)果，如表2 所示。

表2 仿真結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Comparision of Simulation Results

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)比表，可以得到在X、Y方向切削力和刀尖溫度上，優(yōu)選后比優(yōu)選前分別減小了4.49%、20.97%和22.59%，在Z方向切削力上增加了4.6N，增大了13.33%。從結(jié)果來(lái)看，優(yōu)選后的刀具結(jié)構(gòu)在切削力和刀尖溫度方面是有所下降的。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

機(jī)床采用的機(jī)床為北一大隈（北京）機(jī)床有限公司生產(chǎn)的LBR-370 臥式數(shù)控車床。主要技術(shù)參數(shù)如下：行程（X/Z軸）：260/520mm；主軸電機(jī)功率：15/11kw；主軸最大轉(zhuǎn)速：4500r/min；進(jìn)給速度（X/Z）：20/25mm/min；切削進(jìn)給速度：1000m/r；數(shù)控系統(tǒng)：原裝OSP 型數(shù)控系統(tǒng)；刀架類型：V12 數(shù)控刀架；最大加工直徑：Ф370mm；最大加工長(zhǎng)度：500mm；機(jī)床尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：（2200×1827×1745）mm。測(cè)力儀采用瑞士KISTLER 測(cè)量，由切削力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電荷放大器和計(jì)算機(jī)組成。通過壓電傳感器產(chǎn)生的切削力電荷信號(hào)經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行分析，再由USB 電纜與計(jì)算機(jī)連接。切削完成后，利用軟件可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析和處理，包括濾波、放大和測(cè)平均切削力等。

實(shí)驗(yàn)工件材料為ZL109 鋁合金，尺寸為Ф50×350mm，兩端打有中心孔。實(shí)驗(yàn)刀具為PCD 刀片、硬質(zhì)合金刀柄焊接式車刀。實(shí)驗(yàn)車刀共兩把，第一把車刀為原始車刀，具體幾何參數(shù)如下：前角γ0=2°，后角α0=9°，刀尖圓弧半徑r=1mm，主偏角kr=45°，刃傾角γs=2°。第二把為優(yōu)化后的車刀，幾何參數(shù)如下：前角γ0=0°，后角α0=7°，刀尖圓弧半徑r=0.4mm，主偏角kr=45°，刃傾角γs=2°。其他切削條件與仿真設(shè)置相同。由于切削工序?yàn)榘刖庸ぃ纯紤]表面加工質(zhì)量。此外，實(shí)驗(yàn)室缺少切削溫度測(cè)量?jī)x器，因此只得到優(yōu)選前后的切削力，如表3 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表，可以得到在X、Y和Z方向切削力上，優(yōu)選后比優(yōu)選前分別減小了18.45%、22.12%和11.22%，從結(jié)果可以看出，優(yōu)選后的刀具幾何參數(shù)在切削力方面較原有結(jié)構(gòu)有所下降。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表Tab.3 Comparison of Experimental Results

4 結(jié)語(yǔ)

確定了ZL109 鋁合金的Johnson-Cook 本構(gòu)方程參數(shù)，研究了刀具前角、后角和刀尖圓弧半徑變化對(duì)切削力和刀尖溫度的影響，得到如下結(jié)論：（1）刀尖溫度隨刀具前角的增大基本保持不變，但當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑增大時(shí)，刀尖溫度波動(dòng)很大；（2）對(duì)于X和Y方向切削力，刀尖圓弧半徑都是主要影響因素，而對(duì)于Z方向切削力，前角的影響為最大；（3）對(duì)于刀尖溫度，后角的影響最大，其次是前角，刀尖圓弧半徑影響最??；（4）當(dāng)?shù)毒邘缀螀?shù)選擇為前角γ0=0°，后角α0=7°，刀尖圓弧半徑r=0.4mm 時(shí)，PCD 車刀切削ZL109 鋁合金時(shí)刀具的切削性能為最優(yōu)。