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        復(fù)雜槽型刀片車削時(shí)表面殘余應(yīng)力有限元仿真與試驗(yàn)*

        2016-05-29 11:42:32劉二亮寧世友何耿煌陳學(xué)強(qiáng)鄭永純王亞威
        航空制造技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:切削力刀片涂層

        劉二亮,寧世友,邱 峰,何耿煌,陳學(xué)強(qiáng),鄭永純,王亞威

        (1.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院,哈爾濱 150080;2.哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司,哈爾濱 150069)

        國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)50年代開始對(duì)金屬切削加工表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究,取得了顯著的成果[1-3]。2005年Ee采用彈塑性有限元法對(duì)工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行研究,分析卸載和冷卻階段對(duì)殘余應(yīng)力的影響作用,得出比較準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)值[4]。王素玉等針對(duì)切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律進(jìn)行了有限元仿真分析[5]。試驗(yàn)方面,孫建英等進(jìn)行了高速切削加工表面殘余應(yīng)力的研究與控制[6]。Jacobson通過車削淬硬鋼的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)負(fù)刀具前角越大、刀具半徑越小越容易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[7]??讘c華等進(jìn)行了刨削試驗(yàn)研究,得出了工件材料、切削參數(shù)等對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律[8]。殘余應(yīng)力是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、材料匹配和加工工藝等因素均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響[9-11]。上述研究側(cè)重于殘余應(yīng)力的理論建模、試驗(yàn)分析和有限元仿真預(yù)測(cè)等方面,但是復(fù)雜槽型對(duì)殘余應(yīng)力影響的研究鮮見報(bào)道。

        本文以復(fù)雜槽型車刀片車削45鋼時(shí)的已加工表面殘余應(yīng)力為研究對(duì)象,通過有限元仿真和試驗(yàn)手段,分析復(fù)雜槽型對(duì)力、溫度、殘余應(yīng)力的變化規(guī)律的影響作用。

        1 復(fù)雜槽型車刀片切削時(shí)殘余應(yīng)力的建模仿真

        本文采用Third Wave AdvantEdge自身所攜帶的材料本構(gòu)關(guān)系(Power-Law本構(gòu)模型)進(jìn)行有限元仿真。模型材料從材料庫中選用AISI1045,即45鋼,刀具選用硬質(zhì)合金刀具,建模邊界條件如圖1所示,取切削速度Vc=250mm/min,切削深度為ap=0.5mm,進(jìn)給量為f=0.25mm/r,后角ao為 10°。

        1.1 復(fù)雜槽型前角對(duì)殘余應(yīng)力的影響

        圖1 邊界條件Fig.1 Boundary conditions

        取前角γo分別為5°、10°、15°,切削刃半徑為0.015mm。如圖2(a)所示,已加工表面的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,次表層的殘余拉應(yīng)力逐漸減小,轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,達(dá)到最大殘余壓應(yīng)力后,殘余壓應(yīng)力逐漸趨于零。增大槽型前角,殘余拉應(yīng)力減小,硬化層里壓應(yīng)力也減小。殘余拉應(yīng)力層減小。殘余拉應(yīng)力層的分布深度大約在0.1mm左右。當(dāng)前角很小的時(shí)候,切屑的狀態(tài)接近自然卷曲。隨著槽型前角的增大,受到復(fù)雜槽型的約束作用,切屑的卷曲半徑變小,切屑的彎曲應(yīng)力就變大,切屑對(duì)工件的拉力就越大。圖2(b)為不同前角下切削力瞬時(shí)變化圖。一方面由于切削刃對(duì)工件的壓縮變形變小,使得摩擦作用變小,切削溫度降低,從而殘余拉應(yīng)力降低;另一方面由于切削變形減小,擠壓和摩擦減小,殘余壓應(yīng)力也隨著前角的增大而減小。

        圖2 前角對(duì)殘余應(yīng)力的影響和切削力的變化瞬時(shí)圖Fig.2 Influence of groove rake angle on the residual stress and cutting force

        1.2 涂層對(duì)殘余應(yīng)力的影響

        圖3為TiN涂層和無涂層的復(fù)雜槽型刀片切削時(shí)已加工表面殘余應(yīng)力的分布曲線。由圖3可知,已加工表面殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力,但是采用TiN涂層時(shí),表面殘余應(yīng)力值明顯小很多。

        圖3 刀具涂層對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig.3 Influence of cutting tool coating on residual stress

        圖4為有無涂層時(shí)的切削力和切削溫度的對(duì)比圖,從4(a)和4(b)可看出有涂層的復(fù)雜槽型刀片切削時(shí)切削力小于無涂層時(shí)的切削力, 并且無涂層時(shí)切削力的曲線波動(dòng)比較大,而有涂層的則相對(duì)平穩(wěn),說明涂層有利于降低切削力;從圖4(c)和圖4(d)可看出,帶涂層的復(fù)雜槽型刀片切削時(shí)的切削溫度較低,這是因?yàn)橥繉硬牧暇哂懈哂捕?、耐磨耐熱的性能,涂層材料與工件的粘結(jié)較小,有一定的潤滑作用,減少了復(fù)雜槽型與工件的摩擦系數(shù),切削加工產(chǎn)生的熱量相對(duì)較少,從而降低了切削溫度。由圖4可知,切削力的降低,使切削加工過程中的壓應(yīng)力相對(duì)減少,但是溫度的上升使殘余拉應(yīng)力增大;由于涂層刀片的切削穩(wěn)定性優(yōu)于無涂層刀片,因此涂層刀片切削時(shí)的已加工面殘余應(yīng)力小于無涂層的刀片。

        2 復(fù)雜槽型車刀片切削時(shí)殘余應(yīng)力的試驗(yàn)研究

        2.1 試驗(yàn)裝置、材料和設(shè)備

        試驗(yàn)用車床型號(hào)為CAK6150,車刀片選用Sandvik公司兩種不同斷屑槽型的硬質(zhì)合金涂層刀片,刀片型號(hào)和部分幾何參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)材料選用45鋼棒料,切削方式為外圓車削,棒料直徑d=90mm,長度l=450mm。在試驗(yàn)中,進(jìn)給量f=0.25mm/r,切削速Vc=250mm/min,背吃刀量選用4個(gè)水平(分別為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm)。每次車削長度為 20mm,用于檢測(cè)工件已加工表面的殘余應(yīng)力。

        圖4 刀具涂層對(duì)切削力和切削溫度的影響圖Fig.4 Influence of tool coating on the cutting force and cutting temperature

        采用kistler公司生產(chǎn)的測(cè)力儀進(jìn)行切削力測(cè)量;采用加拿大PROTO公司生產(chǎn)的LXRD組合式和IXRD便攜式X射線應(yīng)力分析儀進(jìn)行已加工表面殘余應(yīng)力測(cè)試。

        2.2 復(fù)雜槽型對(duì)已加工表面切削力及切削溫度的影響試驗(yàn)分析

        TiN涂層刀片在進(jìn)給量f=0.25mm/r,切削速度Vc=250mm/min,切削深度ap分別取 0.20mm、0.50mm、0.80mm和1.00mm時(shí),分析不同槽型對(duì)切削力與切削溫度的影響規(guī)律。

        表1 刀具型號(hào)及幾何參數(shù)

        圖5所示為切削力隨著切削深度的增加而增大,但槽型刀片的軸向力和徑向力都低于平刀片;WF槽型刀片的切削力小于QF槽型。這是因?yàn)樵囼?yàn)用的兩種刀片為具有前角的涂層硬質(zhì)合金刀片,在切削過程中涂層起到一定潤滑作用,從而降低了摩擦系數(shù),切削力變?。煌瑫r(shí),由于前角的存在使得切削變得輕快,當(dāng)前角增大時(shí),切削層的金屬變形將減小,刀-屑間摩擦力和正應(yīng)力也減小,導(dǎo)致切削力減小,而WF刀片的前角為15°,QF刀片的前角為10°,故前者的切削力小于后者。

        圖5 切削深度對(duì)切削力影響的仿真與試驗(yàn)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of measured and simulated cutting force

        如圖6所示為隨著切削深度的增加,切削溫度呈緩慢增大的趨勢(shì);槽型刀片的切削溫度高于平刀片,QF槽型刀片的切削溫度高于WF槽型刀片。這是因?yàn)槠降镀谇邢骷庸ぶ?,切屑自然卷曲,切屑變形程度較低,因變形而產(chǎn)生的熱量較少,從而切削溫度較低;而槽型刀片在切削中,盡管涂層在一定程度上改善了刀屑間的摩擦條件,但是斷屑槽強(qiáng)制切屑卷曲,即切屑卷曲半徑減小,增加了切屑變形,導(dǎo)致因變形產(chǎn)生的熱量顯著增加,因此切削溫度較高,所以槽型刀片的切削溫度高于平刀片;從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)QF槽型刀片切削時(shí)切屑變形程度高于WF槽型刀片,因而前者切削時(shí)溫度較高。

        2.3 復(fù)雜槽型對(duì)已加工表層殘余應(yīng)力影響試驗(yàn)分析

        從圖7中可以看出,切削深度對(duì)殘余應(yīng)力變化的影響較小。軸向殘余應(yīng)力和切向殘余應(yīng)力均是拉應(yīng)力,其中切向殘余應(yīng)力明顯大于軸向殘余應(yīng)力。采用WF槽型刀片切削時(shí)工件已加工表面的殘余應(yīng)力高于QF槽型刀片。

        2.4 涂層對(duì)已加工表層殘余應(yīng)力影響試驗(yàn)分析

        圖6 切削深度對(duì)切削溫度影響的仿真與試驗(yàn)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of measured and simulated cutting temperature

        圖7 不同槽型表層殘余應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig.7 Comparison of measured and simulated residual stress

        由圖8可知,隨著切削深度的增大,已加工表面的殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)不明顯,且軸向殘余應(yīng)力和切向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力。TiN涂層刀片切削時(shí)已加工表面的殘余拉應(yīng)力比無涂層刀片低,可見,涂層刀片切削可獲得更好的加工表面質(zhì)量。

        圖8 有無涂層對(duì)表層殘余應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig.8 Comparison of measured and simulated coating and uncoating

        3 結(jié)論

        本文通過有限元仿真和切削試驗(yàn),研究了復(fù)雜槽型對(duì)切削過程中力、溫度、殘余應(yīng)力變化規(guī)律的影響作用,得到了以下結(jié)論。

        (1)仿真結(jié)果表明:前角增大,表面殘余應(yīng)力減小;殘余拉應(yīng)力層的厚度約在0.1mm左右;涂層刀片降低了已加工表面的殘余拉應(yīng)力。

        (2)研究發(fā)現(xiàn):隨著切削深度的增加,切削力和切削溫度隨之增大;采用QF槽型刀片切削時(shí)的切削力和切削溫度均高于WF槽型刀片。

        (3)切削深度對(duì)殘余應(yīng)力影響作用不明顯,但是采用WF或者QF槽型刀片切削時(shí),軸向殘余應(yīng)力和切向殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力,且切向殘余應(yīng)力比軸向殘余應(yīng)力大;WF槽型刀片切削時(shí)已加工表面殘余應(yīng)力高于QF槽型刀片。

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