楊樹財(cái) 馬旭青 張玉華 劉偉偉 何春生

摘 要：為了研究微織構(gòu)對(duì)球頭銑刀切削加工性能的影響規(guī)律，完成微織構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，依據(jù)粘結(jié)摩擦理論研究了微織構(gòu)刀具的減磨抗磨機(jī)理，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，驗(yàn)證了微織構(gòu)刀具具有減磨抗磨特性。采用DEFORM-3D有限元軟件進(jìn)行了不同織構(gòu)參數(shù)刀具的銑削仿真，得出了刀具微織構(gòu)參數(shù)的合理范圍。根據(jù)仿真得到的參數(shù)范圍，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)優(yōu)化出球頭銑刀最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)組合為D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm。

關(guān)鍵詞：微織構(gòu);球頭銑刀;刀具磨損;正交試驗(yàn)法

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.009

中圖分類號(hào)： TH161+.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）05-0047-07

Abstract：In order to study the influence of micro-texture on the cutting performance of ball-end milling， and to complete the optimization of micro texture parameters， the friction-reducing and wear-resistant mechanism of micro-texture ball-end milling was studied based on the theory of adhesive friction. The experimental method was used to verify the correlation. The finite element software DEFORM-3D was used to simulate the milling of different texture parameters， and the reasonable range of tool micro-texture parameters was obtained. According to the range of parameters obtained from the simulation， an orthogonal test was designed to optimize the optimal texture parameters of the ball-end cutter to be D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm.

Keywords：micro-texture; ball-end milling; tool wear; orthogonal test

0 引 言

鈦合金因比強(qiáng)度高、抗蝕性好、熱強(qiáng)度高、低溫性能好等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但由于鈦合金變形系數(shù)小、化學(xué)活性大、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重等特點(diǎn)，導(dǎo)致鈦合金是典型的難加工材料[1-2]。目前加工鈦合金最常用的刀具是硬質(zhì)合金刀具，在加工鈦合金過程中硬質(zhì)合金刀具易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，嚴(yán)重的刀具磨損會(huì)導(dǎo)致刀具壽命縮短，加工效率降低，并使工件已加工表面質(zhì)量降低，從而增加生產(chǎn)成本。仿生摩擦學(xué)研究發(fā)現(xiàn)高性能的表面微織構(gòu)能夠起到減摩、抗黏附、提高耐磨性能等作用。這就為高效切削鈦合金提供了新思路，也提供了理論依據(jù)。因此，研究在硬質(zhì)合金刀具表面置入微織構(gòu)對(duì)提升鈦合金切削加工性能，降低刀具磨損，已成為鈦合金加工領(lǐng)域值得關(guān)注的課題。

國內(nèi)學(xué)者鄧建新等[3-5]在硬質(zhì)合金刀具上利用微細(xì)電火花技術(shù)制備出微圓坑，在其內(nèi)部填充固體潤滑劑MoS2，進(jìn)行車削45#鋼的摩擦學(xué)性能研究。馮秀亭等[6]制備了微納復(fù)合織構(gòu)自潤滑陶瓷刀具，并對(duì)其切削性能進(jìn)行了深入的研究。國外方面。Enomoto等[7]在硬質(zhì)合金刀具的前刀面上制備了不同類型的表面織構(gòu)，并進(jìn)行了一系列的銑削鋁合金材料的試驗(yàn)研究。Lei等[8]進(jìn)行了硬質(zhì)合金微圓坑刀具在不同潤滑條件下切削合金鋼的試驗(yàn)研究。Koshy等[9]利用的是電火花加工微織構(gòu)的方法，在刀具的前刀面上加工出連續(xù)面型和四槽陣列兩種表面織構(gòu)類型，分別采用連續(xù)與斷續(xù)兩種切削方式在切削液潤滑條件下進(jìn)行了鋼和鋁合金的切削試驗(yàn)。關(guān)于微織構(gòu)刀具的研究，大多數(shù)集中在車刀片以及面銑刀片上[10-13]。

目前，關(guān)于在硬質(zhì)合金球頭銑刀上加微織構(gòu)高速銑削鈦合金的研究較少，特別是對(duì)微織構(gòu)參數(shù)的定量研究尚有欠缺，以及微織構(gòu)的置入對(duì)整個(gè)切削過程的影響規(guī)律分析不足。因此，基于前人研究成果，本文揭示了微織構(gòu)的置入對(duì)刀具減磨抗磨的作用機(jī)理;并且利用有限元仿真軟件Deform-3D進(jìn)行了銑削仿真分析，選定了微織構(gòu)參數(shù)范圍;進(jìn)行了正交銑削試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，優(yōu)選出了合理的微織構(gòu)參數(shù)組合。

1 微織構(gòu)減磨抗磨機(jī)理分析

1.1 粘結(jié)摩擦理論

粘結(jié)理論認(rèn)為，由于物體表面必然凹凸不平，那么當(dāng)兩物體在接觸正壓力Fn的作用下接觸時(shí)，其實(shí)際接觸面積只是一些凸峰點(diǎn)接觸[14]。粘結(jié)摩擦理論的示意圖如圖1所示，圖中的C、E、D、三點(diǎn)為兩物體接觸點(diǎn)中上面的物體的接觸位置點(diǎn)，Ar、B、Ai+1為兩物體接觸點(diǎn)中下面的物體的接觸位置點(diǎn)。在正壓力Fn的作用下，兩物體發(fā)生接觸，特別地，在AC、EB等的接觸位置點(diǎn)，由于接觸面積小導(dǎo)致接觸壓強(qiáng)非常大，接觸點(diǎn)處材料發(fā)生塑性變形，這就是粘結(jié)摩擦理論中的粘著現(xiàn)象。由于兩物體之間有相對(duì)滑動(dòng)，且各個(gè)接觸位置點(diǎn)的高度是起伏不平的，如圖中的EB和DA，當(dāng)下面物體的B點(diǎn)通過上面物體的D點(diǎn)時(shí)，較軟的表面材料會(huì)被較硬的材料切除，這就是粘結(jié)摩擦理論中的犁溝現(xiàn)象。而微織構(gòu)的置入可以有效降低刀-屑緊密接觸區(qū)的接觸面積，從而改善鈦合金的切削加工性。圖2為前刀面應(yīng)力分布示意圖，其中oa段為峰點(diǎn)接觸區(qū)，ab段為緊密接觸區(qū)。ox代表X坐標(biāo)軸。

式中：τs為真實(shí)剪切屈服應(yīng)力;ε為剪應(yīng)變;τ0為名義屈服強(qiáng)度;lf為刀屑接觸長度;n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù);τ為前刀面各微單元應(yīng)力;f為刀屑緊密接觸區(qū)摩擦力;f粘為刀屑緊密接觸區(qū)各個(gè)接觸點(diǎn)的接觸摩擦力;f犁為刀屑緊密接觸區(qū)材料相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的犁溝摩擦力;x為X坐標(biāo)軸上坐標(biāo)點(diǎn)。

1.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)刀具：硬質(zhì)合金球頭銑刀，并使用光纖激光器在銑刀前刀面制備微坑織構(gòu)，如圖3所示。微坑織構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1所示。表中：D代表微坑直徑;H代表微坑深度;L1代表微坑間距;L2代表微坑距切削刃距離。

實(shí)驗(yàn)工件材料為航空用鈦合金Ti6Al4V。實(shí)驗(yàn)機(jī)床為大連機(jī)床廠VDL-1000E數(shù)控銑床，數(shù)據(jù)采集采用Kistler9257B測(cè)力儀結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量三向切削力，采用順銑加工方式，側(cè)銑加工工件傾斜角度為15°。利用超景深三維顯微系統(tǒng)對(duì)刀具的磨損形態(tài)進(jìn)行記錄分析。對(duì)比普通球頭銑刀與微織構(gòu)球頭銑刀隨著銑削行程的增加切削力的變化規(guī)律，進(jìn)行三組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)加工照片如圖4所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

微坑織構(gòu)的減磨抗磨作用可以降低刀具磨損，刀具磨損程度直接影響切削合力值。對(duì)比微織構(gòu)刀具與普通刀具隨著切削行程增大切削合力的變化規(guī)律，如圖5所示。當(dāng)切削行程La時(shí)，微織構(gòu)刀具的切削力均小于普通刀具。這是由于微坑織構(gòu)的置入，減少了刀-屑緊密接觸區(qū)域的接觸面積。銑削行程為30240mm時(shí)，刀具的前后刀面磨損值如表2所示。表中：KT代表前刀面磨損值;VBmax代表后刀面最大磨損值。由表可知，微織構(gòu)刀具可以有效降低刀具磨損，延長刀具壽命。

2 銑削鈦合金Ti6Al4V刀具磨損仿真

根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，在球頭銑刀上制備微織構(gòu)能夠有效降低刀具磨損，因此有必要分析研究微織構(gòu)的參數(shù)范圍，定量分析織構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律。為了節(jié)約成本，提高效率，使用有限元仿真軟件Deform-3D進(jìn)行刀具磨損仿真[17-18]。

2.1 仿真方案設(shè)計(jì)

采用UG軟件建立不同織構(gòu)參數(shù)的球頭銑刀實(shí)體模型及工件材料模型，為保證有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用Johnson-Cook的本構(gòu)方程， Ti6Al4V的Johnson-Cook模型材料參數(shù)如表3所示。Ti6Al4V的物理及溫度參數(shù)如表4所示。其中：A、B、n、m、C均為模型的結(jié)構(gòu)常量;E為楊氏模量;μ為泊松比;0為參考應(yīng)變率;ρ為密度;TM為融化溫度[19-21]。

設(shè)計(jì)四因素五水平的正交仿真方案，建立25把不同織構(gòu)參數(shù)的球頭銑刀模型，表5為仿真織構(gòu)參數(shù)因素水平表。將模型置入Deform-3D軟件中進(jìn)行前處理操作，進(jìn)行相關(guān)材料參數(shù)、接觸條件、網(wǎng)格劃分等操作后，進(jìn)行仿真如圖7所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)比25把刀具銑削仿真結(jié)束后的刀具最大磨損值，進(jìn)行相關(guān)正交分析，得出指標(biāo)-因素關(guān)系圖，如圖8所示。由圖可知，微坑織構(gòu)直徑D的范圍是：40～70μm;微坑深度H的范圍是：20～40μm;微坑間距L1的范圍是：110～150μm;微坑距切削刃距離L2的范圍是：90～120μm。以刀具磨損的仿真結(jié)果為指標(biāo)，完成了微織構(gòu)參數(shù)范圍的優(yōu)選。

3 試驗(yàn)分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真結(jié)果可以將微織構(gòu)參數(shù)確定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，并設(shè)計(jì)四因素四水平的正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)織構(gòu)參數(shù)因素水平表如表6所示，其它的試驗(yàn)條件與第一節(jié)的對(duì)比試驗(yàn)相符。分析16把微織構(gòu)刀具在切削30240mm之后的刀具磨損情況。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用超景深顯微鏡測(cè)量16把刀具磨損情況，第17組為對(duì)比試驗(yàn)中的一組普通刀具試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如圖9所示。分析可知刀具后刀面磨損大于前刀面。微織構(gòu)刀具前、后刀面磨損值均小于普通刀具?？棙?gòu)刀具能夠起到減磨抗磨的作用，且微織構(gòu)的參數(shù)不同，刀具的磨損程度不同。這是由于微織構(gòu)的置入改善了球頭銑刀銑削鈦合金過程中的切削加工性，從而降低了刀具磨損值。

根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果可知，側(cè)銑加工鈦合金過程中，球頭銑刀片磨損主要集中在刀具后刀面，球頭銑刀的失效判據(jù)以后刀面磨損值VB為準(zhǔn)。前刀面微坑織構(gòu)的置入主要通過影響刀具切削加工性能而間接影響刀具后刀面磨損值。因此以后刀面磨損值為指標(biāo)，畫出指標(biāo)-因素關(guān)系圖如圖10所示。當(dāng)D<50μm時(shí)，隨著D的增大，刀具磨損值減小，這是由于D越小，其減磨作用越不明顯。當(dāng)D>50μm時(shí)，隨著D的增大，刀具磨損值增大，這是由于D越大，刀具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，從而導(dǎo)致刀具磨損加劇。當(dāng)h<25μm時(shí)，隨著h的增大，刀具磨損值減小，這是由于隨著h的增大，微坑附近熔融物質(zhì)增多，可以起到有效的抗磨損作用。當(dāng)h>25μm時(shí)，刀具磨損值隨著h增大而逐漸增大，這是由于坑深過大，一方面破壞刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另一方面熔融物質(zhì)影響刀具的切削加工性能。當(dāng)L1<130μm時(shí)，隨著L1的增大，刀具磨損值減小，這是由于L1過近會(huì)破壞刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;當(dāng)L1>130μm時(shí)，隨著L1的增大，刀具磨損值增大，這是由于微坑織構(gòu)越來越稀疏，則微織構(gòu)起到的減磨作用不斷減小。當(dāng)L2<110μm時(shí)，隨著L2增大，刀具磨損降低，這是由于L2過小會(huì)破壞刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)L2>110μm時(shí)，隨著L2增大，刀具磨損增大，這是由于微織構(gòu)在刀-屑緊密接觸區(qū)才發(fā)揮作用。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，確定四個(gè)因素由主到次的順序?yàn)椋篖2—L1—D—H。得到微織構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合為D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm。

4 結(jié) 論

1）基于粘結(jié)摩擦理論，討論了在刀具前刀面置入微織構(gòu)對(duì)刀-屑接觸區(qū)的影響，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證微織構(gòu)的置入可以有效改善刀具的切削加工性能，降低刀具磨損。

2）為了定量研究微織構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，依據(jù)微坑織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)了四因素五水平的正交仿真方案，利用Deform-3D軟件進(jìn)行了刀具磨損仿真，從而確定了微坑織構(gòu)的合理參數(shù)范圍：40

3）進(jìn)行了刀具磨損試驗(yàn)，優(yōu)選出了合理的織構(gòu)參數(shù)組合為D=50μm、H=25μm、L1=130μm、L2=110μm。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果之間進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的合理性，這為降低加工鈦合金加工成本提供了科學(xué)合理的技術(shù)支持。

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（編輯：溫澤宇）