蔣宏婉，袁 森，任仲偉，邵 芳，陳海虹

(1.貴州理工學院 機械工程學院，貴陽 550003；2.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

刀具前刀面作為切削過程熱載荷和機械載荷高度集中區(qū)域，刀屑接觸界面正壓力高達2～3GPa，溫度高達800℃，工作條件十分惡劣。尤其針對難加工材料的高端切削刀具，切屑與前刀面完全是在極小區(qū)域內新鮮表面間的接觸和摩擦，本文將該區(qū)域定義為切削刃近域。刀具切削刃近域的強度對于刀具耐用度影響顯著，國內外相關學者和機構也做了一定研究。王亮等[1]，通過有限元軟件ABAQUS對表面微坑織構刀具的結構強度進行仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，微坑的置入一定程度上降低了刀具強度。杜宏益等[2]通過切削軟件Third Wave AdvantEdge對刀具前刀面微織構區(qū)域進行切削溫度和切削力的仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向的微織構最有利于切削力和切削溫度的降低，從而能夠保證該區(qū)域熱力強度不受威脅。寧仲良等[3]利用有限元數值分析軟件ANSYS對車刀強度進行了數值模擬分析，較為精確地掌握刀具上各節(jié)點的受力情況，確定刀具內部應力應變的分布規(guī)律。何林等[4]利用ANSYS軟件對內冷刀具進行了結構強度的流熱固耦合分析，結果表明，該內冷刀具在給定切削條件下，強度滿足。孫華亮等[5]利用有限元方法對三種微織構車刀進行三維有限元仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，溫度最高點幾乎不受表面微織構的影響，同時刀具強度沒有受到明顯影響。劉玥等[6]研究了溫度對復合金屬陶瓷刀具抗彎強度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，在溫度高于800℃時，該刀具的高溫抗彎強度迅速衰減。楊樹財等[7]利用DEFORM-3D和ANSYS有限元分析軟件對TC4進行動態(tài)仿真和靜力學分析，結果表明，微坑結構會增大球頭銑刀相應受力區(qū)域的等效應力，減少銑刀片的變形。馮秀亭等[8]利用ABAQUS分析了織構參數對刀具應力場的影響規(guī)律，結果表明，無織構刀具應力最大處距離刀具刀尖最近，這最可能是由織構刀具增大刀屑接觸面積造成的。Liu等[9]重點研究了溫度對新型金屬陶瓷車刀前刀面結構強度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，不同切削溫度下，刀具的結構強度不同。Ji等[10]重點研究金屬陶瓷刀具切削性能，研究發(fā)現(xiàn)，比傳統(tǒng)的金屬陶瓷刀具，新型金屬陶瓷刀具具有更高的強度和硬度。以上研究成果或關注單一物理場下刀具前刀面強度分析，或關注溫度對刀具強度的影響情況，或關注受力對刀具強度的影響情況，而對刀屑作用區(qū)域沒有一個準確的確定方法，且鮮有通過有限元分析方法分析多物理場作用下微槽車刀切削高強度合金鋼時刀具切削刃近域強度的相關研究。

本文以硬質合金微槽車刀切削石油管材高強度合金鋼40CrMnMo過程為研究對象，以切削仿真過程獲得的平均切削溫度和平均切削力作為熱載荷和機械載荷，根據刀具實際工作情況，確定出刀屑接觸區(qū)域范圍，從而合理施加約束和邊界條件。將穩(wěn)態(tài)熱分析和靜力學結構分析相關聯(lián)，對車刀進行熱力耦合分析，對該微槽車刀切刃近域熱力強度進行分析評價。

1 刀屑接觸區(qū)的確定

車刀前刀面切削刃近域的熱力強度分析首先需要確定刀屑接觸區(qū)的范圍。刀屑接觸區(qū)范圍主要由刀屑接觸長度和寬度決定，因而，需要根據實際切削工況來分別計算出刀屑接觸長度和寬度。對刀屑接觸長度計算模型的研究，前人已作了相關研究工作，如表1所示。

表1 刀屑接觸長度計算模型

根據國內研究現(xiàn)狀，多采用Rubenstein提出的刀屑接觸長度計算公式，其中常數M選取范圍為2～4，本文加工對象為較難加工材料高強度合金鋼40CrMnMo，變形系數相對小，切屑經過主切削刃后，在較短接觸時間內背離刀具前刀面而發(fā)生卷曲，使得切屑與刀具前刀面的接觸時間較短，因而相同切削條件下相對其他切削工況，其刀屑接觸長度相對較短，所以此處M值取為2.9。根據式(1)～式(5)計算刀屑接觸長度。

a=f·cosψr

(1)

(2)

(3)

β=θ+r0-φ

(4)

(5)

由式(1)～式(5)可知，計算刀屑接觸長度的關鍵參數切屑厚度的獲取。于是結合切削實際工況：切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm，設計相應切削仿真試驗：采用修正的拉格朗日算法和局部網格重劃分技術對該切削過程進行有限元仿真，重點關注該過程刀具的溫度場和受力情況。在該數值模擬過程中，作如下假設：①刀屑接觸區(qū)的摩擦系數為恒定值；②刀屑交界面與外界環(huán)境進行均勻換熱；③工件固定，刀片圍繞工件軸心做旋轉運動。刀具工作角度如表2所示，工件選擇有限元仿真平臺中對應的材料AISI4140，工件材料為P20，二者基本性能參數如表3所示，其余有限元仿真相關設置如表4所示。

表2 刀具工作角度

表3 工件材料性能參數

表4 有限元仿真條件設置

經過切削仿真平臺的求解與后處理，測量相應的切屑厚度。將整個切削過程均分為四部分，即產生包括始點和終點在內的5個節(jié)點，在居中的3個節(jié)點處進行切屑的測量，每次測量重復進行三次，取平均值為該次測量的切屑厚度值，具體測量方法如圖1所示。

圖1 切削厚度測量方法

經過數據處理得到如表5所示的切屑厚度測量結果。

表5 刀屑厚度測量結果

刀屑接觸寬度則由切深和主偏角決定，如圖2所示，由式(6)計算。

(6)

圖2 刀屑接觸寬度

其中，Km是根據實際切削情況而定的修正系數，本研究車削過程中，車刀刀尖角εr為150°，主偏角Kr為27.5°，這樣大刀尖角小主偏角會導致實際刀屑接觸寬度略大于理論寬度值，因而，此處Km取值為1.2。

根據試驗的相關切削參數即可求出相應的刀屑接觸長度lf和lw寬度，進而確定出切削試驗相應的車刀前刀面刀屑接觸區(qū)范圍：lf=1.1650mm，lw=5.1976mm。而刀具后刀面與切屑理論上是不接觸的，但實際切削過程中，由于該車刀刀尖角很大，工件已加工表面與車刀后面也發(fā)生了微段接觸，結合實際切削試驗結果和切削仿真試驗結果，接觸寬度取為0.45mm。

2 熱力耦合有限元模型的建立

基于ANSYS Workbench模塊中穩(wěn)態(tài)熱分析(steady-state thermal)和靜力學結構分析(static structural)，利用刀具幾何參數、材料熱物性能參數及所施加邊界條件，生成三個熱傳導矩陣、節(jié)點溫度列陣和熱流率列陣實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱分析，通過定義刀具材料彈性模量、泊松比和密度完成靜力學結構分析，刀具材料熱物性參數如表6所示。

表6 刀具材料熱物性參數

該熱力耦合仿真試驗中，對刀屑接觸區(qū)進行局部細化，網格相關系數取50，采用高級網格光順，細化區(qū)域外部網格尺寸取為0.15mm，細化區(qū)域內部網格尺寸取為0.025mm。以前期所獲得每組試驗刀具平均切削溫度和平均切削力作為熱載荷和機械載荷施加于該刀具相應施加區(qū)域；空氣與刀具表面的自然對流換熱系數取為0.015W/(mm2·℃)，對刀具施加相應邊界條件；結合刀具實際工況，設定刀具固定面以施加約束條件，建立相應的有限元模型如圖3所示。

圖3 熱力耦合分析車刀有限元模型

3 試驗結果分析與評價

該熱力耦合仿真試驗重復進行三次，取三次試驗數據平均值為該組試驗結果。經過有限元仿真平臺的求解與后處理，獲得刀具在熱力耦合作用下的應力分布，此處重點關注最大等效應力，得到如圖4所示的硬質合金車刀切削刃近域等效應力分布云圖。

圖4 車刀切削刃近域等效應力分布

在實際生產中，刀具應力狀態(tài)尤其是最大等效應力對刀具切削刃近域強度有著直接影響，應力集中會使得刀具材料組織結構發(fā)生變化，加速刀具的破壞，從而影響刀具的耐用度。硬質合金材料綜合了難容金屬化合物的高硬度、高耐磨損性能和良好的耐高溫性能，以及粘結相Co良好的塑形和韌性，其性能取決于兩相的性能和材料配比，但是硬質合金材料總體呈現(xiàn)脆性，因而有“金屬陶瓷”之稱。對于硬質合金車刀而言，由于沒有材料屈服階段，前刀面切削刃近域的應力集中會引起材料內部的局部裂紋，隨著應力集中現(xiàn)象的持續(xù)進行，脆性裂紋會不斷擴展，當該區(qū)域材料所承受應力達到材料的許用強度應力，那么該區(qū)域材料將發(fā)生破壞。

本文所研究硬質合金材料P20相關性能如表3和表6所示，其中關鍵性能參數抗壓強度為4.2GPa，而通過有限元熱力耦合分析所得分析結果，該車刀在熱載荷和機械載荷的綜合作用下，所受最大等效應力為911.19MPa，且出現(xiàn)在后刀面靠刀尖處。為了提高該硬質合金車刀的工作安全性，將安全因子取為1.8，則許用抗壓強度為2.33GPa，顯然，沒有超過刀具材料的許用抗壓強度，因而，可得出結論，該硬質合金微槽車刀在其正常切削工況下(切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm)進行切削時，刀具切削刃近域強度足夠，不會因為強度問題影響切削過程的正常進行。

4 結論

通過以上研究工作，本文研究結論概括如下：

(1)刀屑接觸區(qū)的確定是進行刀具切削刃近域熱力耦合分析的關鍵因素之一，而刀屑接觸區(qū)主要是由刀屑接觸長度和寬度決定，在給定切削條件下，可獲得相應的刀屑接觸區(qū)范圍。在切削條件為切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm時，刀屑接觸區(qū)范圍：刀屑接觸長度為1.1650mm，刀屑接觸寬度為5.1976mm。

(2)刀具材料熱物性能參數、邊界和約束條件以及刀屑接觸區(qū)域的網格劃分對刀具切削刃近域熱力耦合分析有重要影響，選擇合適參數是獲得相對合理分析結果的必然前提。

(3)本文所研究的硬質合金微槽車刀在其正常切削工況下(切削速度為115m/min，進給量為0.42mm/r，切深為2mm)進行切削時，刀具切削刃近域強度足夠，不會因為強度問題影響切削過程的正常進行。