蔡 琨 姜增輝 牟 強(qiáng) 李明剛 周 超

（①沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；②四川南山射釘緊固器材有限公司，四川 宜賓 644100）

20 世紀(jì)初期，美國人Elwood Hayness 發(fā)明了Stellite（鈷基）合金，Stellite 合金主要是以鈷鉻鎢為主要元素的高溫合金，具有耐高溫、硬度高、抗腐蝕和散熱低等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在汽車工程以及其他重點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]。

高速銑削Stellite 合金時(shí)，刀具與切屑接觸區(qū)域易產(chǎn)生較高的溫度，切削溫度的變化會(huì)給切屑形貌、工件材料的硬度及切削力等帶來不同程度的影響。近年來，一些國內(nèi)外的學(xué)者對切削加工仿真及試驗(yàn)過程中的切削溫度進(jìn)行了深入的分析與研究。劉光耀等[3]在選用加厚型圓形晶須增韌陶瓷刀片對Stellite 合金車削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，切削溫度的高低與切削速度有直接關(guān)系，干式切削條件下，切削用量按vc=80～120 m/min，fz=0.15～0.30 mm/z，ap=0.5～2.0 mm 選用時(shí)，晶須增韌陶瓷刀片可發(fā)揮出較好的切削能力。黃傳真等[4]根據(jù)新型陶瓷刀具的性能特點(diǎn)，對鎳基Inconel 718 合金進(jìn)行切削加工研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切削速度的增大會(huì)使得切削溫度升高，且切削溫度的升高變化趨勢快的影響規(guī)律。Lee W J等[5]分析端面銑削過程中的溫度行為，建立了簡單準(zhǔn)確的溫度預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)切削溫度主要受到進(jìn)給量的影響。耿國盛[6]通過夾絲熱電偶測溫的方法，在高速銑削鈦合金時(shí)，對工件與不同種類型號刀具的后刀面的接觸區(qū)域進(jìn)行了瞬時(shí)溫度測量，得出在經(jīng)過切削弧區(qū)時(shí)刀具切削刃的最大與最小溫度；將試驗(yàn)測量的兩種鈦合金的切削溫度進(jìn)行了結(jié)果對照分析。Thakur D G 等人[7]使用K20 刀具對鎳基Inconel 718 合金進(jìn)行高速車削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了切削區(qū)的溫度隨著切削速度的升高而不斷升高，且K20 牌號的硬質(zhì)合金刀具具有良好的切削加工性能。Sridhar A K等人[8]對復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)鋁層合板鉆孔綜合試驗(yàn)進(jìn)行了研究，分析表明加工溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加與軸向進(jìn)給量的降低而增加。Zhuang K J 等[9]論證陶瓷刀片車削Ti6Al4V 時(shí)刀口磨損的形成及機(jī)制，采用一種溫度預(yù)測模型，從溫度分布的角度定量描述刀口磨損的形貌。Li X G 等[10]對鎳基Inconel 718 高溫合金連續(xù)銑削加工進(jìn)行了深入分析，研究發(fā)現(xiàn)銑削用量對切削溫度產(chǎn)生的影響依次為fz＞ap≈n，并得到切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式以及最優(yōu)銑削參數(shù)。

基于Deform-3D 軟件建立高速銑削Stellite6 合金工件的仿真模型，通過正交試驗(yàn)及仿真研究銑削參數(shù)對切削溫度的影響，對加工過程中降低切削溫度和延長刀具壽命具有重大意義。

1 仿真模型與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 本構(gòu)模型

Johnson-Cook 本構(gòu)模型相比于其本構(gòu)模型，其模型參數(shù)較易獲得，且在金屬切削仿真中應(yīng)用最為廣泛，模型的表達(dá)式為

式中：Α為初始屈服應(yīng)力；B為材料應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)；εp為等效塑性應(yīng)變；C為材料應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)；ε˙0為材料參考應(yīng)變率； ε˙為等效塑性應(yīng)變率；m為材料熱軟化指數(shù)；T*為同系溫度；Tm為融化溫度；Tr為室溫。Stellite6 合金的Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)與基本性能參數(shù)[11-12]見表1、表2。

表1 Stellite6 合金的 J-C 模型參數(shù)

表2 Stellite6 合金的基本性能參數(shù)

在仿真切削中刀具與工件之間選擇剪切摩擦模式，環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，熱傳導(dǎo)率為0.02，摩擦因子為0.6。

1.2 工件與刀具

建立Stellite6 合金工件仿真模型，為保證仿真的準(zhǔn)確度，在劃分網(wǎng)格時(shí)，將工件的最小單元尺寸設(shè)定范圍為每齒進(jìn)給量的50%，尺寸比設(shè)定為8，工件網(wǎng)格劃分后的仿真模型如圖1 所示。如圖2 所示，試驗(yàn)所用Stellite6 工件長100 mm、寬100 mm、高20 mm，工件表面有兩個(gè)M8 的螺紋孔，以便加工時(shí)固定工件。

圖1 工件仿真模型

圖2 試驗(yàn)工件

如圖3 所示，銑削Stellite6 合金時(shí)選擇可樂滿刀具，刀柄型號為345-040C4-13M，刀片型號為345R-13T5E-MM，刀片材料牌號為S30T。

圖3 刀柄與刀片的實(shí)體

對圖3 中選用的刀具進(jìn)行三維建模，如圖4 所示。

圖4 刀柄與刀片的模型

1.3 試驗(yàn)機(jī)床與測溫儀

試驗(yàn)的加工設(shè)備為SMTCL 公司生產(chǎn)的VMC850E立式加工中心測量切削溫度的方法為紅外線熱成像法，選用FLUKE 紅外熱像儀，型號為TiX660。

2 仿真與試驗(yàn)研究方案

一般情況下高速切削加工的切削速度與進(jìn)給速度的大小是常規(guī)的5～10 倍以上， Stellite6 合金為難加工材料，其使用TiAlN 涂層刀具的高速切削速度為70～100 m/min。以銑削參數(shù)的切削速度vc（m/min）、每齒進(jìn)給量fz（mm/z）、軸向切深ap（mm）和徑向切深ae（mm）作為4 個(gè)主要影響因素，分別用大寫字母A、B、C、D 表示，設(shè)計(jì)四因素四水平的正交仿真切削及切削試驗(yàn)共用方案見表3。

表3 正交仿真試驗(yàn)因素水平表

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

圖5 為切削參數(shù)vc=90 m/min、fz=0.08 mm/z、ap=0.8 mm,ae=36 mm 時(shí)高速銑削過程中的仿真溫度云圖。

圖5 高速銑削仿真溫度云圖

圖6 為高速銑削試驗(yàn)過程的加工動(dòng)態(tài)圖，采用逆銑干式的銑削加工方式，用紅外熱像儀測量切削溫度。

圖6 加工動(dòng)態(tài)圖

圖7 為切削參數(shù)vc=80 m/min,fz=0.12 mm/z，ap=0.4 mm,ae=36 mm 時(shí)FLUKE 紅外熱像儀測量的試驗(yàn)切削溫度云圖。

圖7 FLUKE 紅外熱像儀測量試驗(yàn)切削溫度云圖

根據(jù)表3 所建立的正交表進(jìn)行16 組數(shù)據(jù)仿真與試驗(yàn)，仿真切削溫度為銑削過程中切削穩(wěn)定時(shí)溫度的平均值，仿真結(jié)果見表4。試驗(yàn)切削溫度是測量5 次切削區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)溫度的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 高速銑削Stellite6 合金的L16（44）切削溫度仿真結(jié)果

表5 高速銑削Stellite6 合金的L16（44）切削溫度試驗(yàn)結(jié)果

仿真與試驗(yàn)的切削溫度對比如圖8 所示，仿真切削溫度整體高于試驗(yàn)切削溫度。試驗(yàn)切削溫度受到環(huán)境溫度、刀體傳熱性能以及溫度測量距離的影響，散熱渠道較多，導(dǎo)致試驗(yàn)測量的切削溫度偏低。在相同銑削參數(shù)中，兩者的變化趨勢基本相同，仿真結(jié)果與實(shí)際加工相符。

圖8 仿真切削溫度與試驗(yàn)切削溫度的對比

3.2 極差分析

高速銑削Stellite6 合金的切削溫度仿真與試驗(yàn)的極差分析結(jié)果見表6、表7，在表3 所示的銑削參數(shù)范圍內(nèi)，仿真切削與試驗(yàn)切削得到同樣結(jié)果，它們對切削溫度的影響程度次序均為vc＞fz＞ap＞ae，以最小切削溫度為目標(biāo)的銑削參數(shù)最優(yōu)方案均為A1B1C1D1，即vc=70 m/min、fz=0.08 mm/z、ap=0.4 mm、ae=18 mm。

表6 Stellite6 合金切削溫度的仿真極差分析表

表7 Stellite6 合金切削溫度的試驗(yàn)極差分析表

切削速度對切削溫度的影響如圖9 所示。試驗(yàn)及仿真的切削溫度都是隨著切削速度的增大而增大。在試驗(yàn)切削中vc=90～100 m/min 時(shí)，切削溫度增加速率較快，主要原因是較高的切削速度下，刀具后刀面磨損加快，增大了后刀面與工件的接觸面積，使摩擦加劇，切削溫度顯著升高。

圖9 切削速度對切削溫度的影響規(guī)律

每齒進(jìn)給量對切削溫度的影響如圖10 所示。試驗(yàn)與仿真的切削溫度都隨著每齒進(jìn)給量的增加而增加。當(dāng)fz=0.08～0.12 mm/z 時(shí)，每齒進(jìn)給量的增加會(huì)使切削溫度顯著升高，而fz=0.12～0.20 mm/z時(shí)，切削溫度增加較為緩慢。主要原因是每齒進(jìn)給量較大時(shí)切屑厚度較大，能帶走較多的熱量，切削溫度升幅較低。

圖10 每齒進(jìn)給量對切削溫度的影響規(guī)律

軸向切深對切削溫度的影響如圖11 所示。試驗(yàn)及仿真的切削溫度均隨著軸向切深的增加而增加，但變化幅度較小。主要是因?yàn)榍邢鲗挾仍龃?，切削面積增大，使得散熱面積也增大，熱量散失較快。

圖11 軸向切深對切削溫度的影響規(guī)律

徑向切深對切削溫度的影響如圖12 所示。試驗(yàn)及仿真的切削溫度都隨著徑向切深的增大而增大，但兩者變化趨勢很小，其中試驗(yàn)切削溫度近似于一條水平的直線。主要原因是徑向切深越大，刀具切削軌跡的弧長越大，切削面積與散熱面積就會(huì)變大，且形成的切屑越長，帶走的熱量越多，導(dǎo)致殘留的熱量越少，切削溫度的變化就會(huì)很小。

圖12 徑向切深對切削溫度的影響規(guī)律

3.3 方差分析

通過計(jì)算得到仿真與試驗(yàn)方差分析結(jié)果見表8、表9，臨界值F分別取F0.05（3,3）=9.28，F(xiàn)0.01（3,3）=29.46，銑削參數(shù)對切削溫度的顯著性的順序均為：vc＞fz＞ap＞ae，由此可知方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果相同。

表8 仿真切削溫度的方差仿真分析

表9 試驗(yàn)切削溫度的方差試驗(yàn)分析

3.4 建立切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式

對表4、表5 中仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，分析結(jié)果如表10 所示，T與vc、fz、ap和ae之間的線性回歸經(jīng)驗(yàn)公式如下：

根據(jù)復(fù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的原則，0.8＜R＜1表明擬合程度良好，若R值越接近于1，則表明擬合程度越高，由表10 中仿真與試驗(yàn)的R值可知仿真與試驗(yàn)的擬合程度都較高。對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行顯著性分析，正交仿真與試驗(yàn)次數(shù)n=16，自變量因素m=4，取臨界值F0.01(4,11)=5.67，仿真與試驗(yàn)的F值均大于臨界值，表明經(jīng)驗(yàn)公式線性關(guān)系顯著。

4 結(jié)語

研究了高速銑削Stellite6 合金過程中銑削參數(shù)對切削溫度的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）選用的銑削參數(shù)范圍內(nèi)，銑削參數(shù)對切削溫度影響的主次順序?yàn)関c＞fz＞ap＞ae，得到切削溫度最小的最優(yōu)參數(shù)：vc=70 m/min、fz=0.08 mm/z、ap=0.4 mm、ae=18 mm。

（2）每齒進(jìn)給量fz及軸向切深ap對切削溫度的影響均為顯著，而徑向切深ae對切削溫度的影響為不顯著。

（3）試驗(yàn)研究顯示切削速度vc對切削溫度的影響為十分顯著，而仿真研究顯示切削速度vc對切削溫度的影響為顯著。

（4）切削溫度的變化與切削速度、每齒進(jìn)給量、軸向切深及徑向切深都成正相關(guān)。