朱 楠

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

在切削過程中，切削振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)經(jīng)常發(fā)生[1-2]。切削振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致切削力和切削溫度產(chǎn)生較大波動(dòng)，使得工件表面質(zhì)量粗糙、刀具磨損難以控制，給生產(chǎn)加工造成較大麻煩。為更好地控制切削振動(dòng)，有學(xué)者采用Runge-Kutta法對(duì)機(jī)床切削振動(dòng)建立了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型[3]。關(guān)于切削振動(dòng)的成因，學(xué)者認(rèn)為機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和切削深度是影響切削振動(dòng)的主要原因[4-5]。在45#鋼切削振動(dòng)試驗(yàn)中，崔政等[6]發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對(duì)切削振動(dòng)產(chǎn)生的影響最大，切削速度對(duì)振動(dòng)的影響最小。在鈦合金材料切削振動(dòng)試驗(yàn)中，王晨羽等[7]發(fā)現(xiàn)切削用量對(duì)切削振動(dòng)影響程度不同，其中進(jìn)給量變大導(dǎo)致切削振動(dòng)變大。目前關(guān)于切削振動(dòng)對(duì)刀具磨損影響的研究較少，而刀具磨損一直是切削加工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題。刀具磨損包括機(jī)械磨損、黏附磨損、氧化磨損以及破損崩刃等[8]。

在對(duì)立方氮化硼(CBN)刀具磨損的研究中，學(xué)者指出CBN含量、切削條件、工件材料等[9-12]均會(huì)對(duì)刀具磨損產(chǎn)生較大影響。但是關(guān)于切削振動(dòng)對(duì)CBN刀具磨損的研究較少。然而切削振動(dòng)是切削過程中難以避免的問題，因此研究切削振動(dòng)對(duì)CBN刀具磨損的影響對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工有重要的指導(dǎo)意義。

本試驗(yàn)針對(duì)切削振動(dòng)現(xiàn)象，主要研究立方氮化硼(CBN)刀具切削鈦合金時(shí)，切削振動(dòng)對(duì)刀具磨損的影響。試驗(yàn)選用的鈦合金材料具有很強(qiáng)的黏性，在切削過程中存在粘刀現(xiàn)象[13-14]，會(huì)導(dǎo)致刀具發(fā)生磨損。目前對(duì)CBN刀具切削鈦合金時(shí)，產(chǎn)生的切削振動(dòng)對(duì)CBN刀具磨損影響的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。因此，為研究切削鈦合金過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)刀具磨損的影響，試驗(yàn)利用有限元方法，可以直觀地反映振動(dòng)對(duì)切削過程的影響，減少煩瑣復(fù)雜的實(shí)際切削試驗(yàn)步驟，從理論上分析不同振動(dòng)方向、不同振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面磨損的影響。在理論上為切削加工領(lǐng)域中切削振動(dòng)對(duì)刀具磨損的影響進(jìn)行分析探討。

1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

1.1 有限元建模

切削振動(dòng)試驗(yàn)選用的工件材料是航空材料鈦合金Ti-6Al-4V，選用Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行仿真。試驗(yàn)基于有限元分析軟件AdvantEdge進(jìn)行，由于該有限元分析軟件中材料庫(kù)包含鈦合金Ti-6Al-4V材料，因此試驗(yàn)直接選用鈦合金材料，其楊氏模量為1 050 MPa。表1是鈦合金Ti-6Al-4V所含元素及質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)所用刀具選用CBN材料，設(shè)置刀具前角為5°，后角為6°，切削刃半徑為0.02 mm，刀具前刀面和后刀面的長(zhǎng)度均為2 mm。鈦合金工件長(zhǎng)度10 mm，高度3 mm，切削長(zhǎng)度8 mm。刀具和工件網(wǎng)格單元最大尺寸是0.10 mm，最小單元尺寸是0.02 mm，采用拉格朗日自適應(yīng)網(wǎng)格方法劃分網(wǎng)格。圖1所示為CBN刀具與鈦合金Ti-6Al-4V工件二維切削模型。試驗(yàn)中取切削速度200 m/min，進(jìn)給量0.2 mm/z，背吃刀量0.5 mm。

表1 鈦合金Ti-6Al-4V化學(xué)元素及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

切削振動(dòng)時(shí)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡情況如圖2所示。當(dāng)?shù)毒哐刂鳻方向切削前進(jìn)時(shí)，刀具切削刃與工件接觸面積、切削刃與切屑接觸長(zhǎng)度基本保持不變；當(dāng)?shù)毒哐刂鳼方向切削前進(jìn)時(shí)，刀具與工件之間的接觸面積，切削刃與切屑之間的接觸長(zhǎng)度均發(fā)生變化。

1.2 切削振動(dòng)試驗(yàn)方案

實(shí)際切削過程中，振動(dòng)來源于振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度。任何一種因素都會(huì)使切削發(fā)生振動(dòng)，造成一定的損失。因此，為系統(tǒng)分析振動(dòng)對(duì)CBN刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V的磨損情況，有限元仿真試驗(yàn)將切削振動(dòng)模擬成刀具分別沿X方向振動(dòng)、沿Y方向振動(dòng)、沿X和Y方向共同振動(dòng)模擬仿真，并建立振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率影響因子，與無(wú)振動(dòng)切削對(duì)比分析。設(shè)計(jì)多組正交試驗(yàn)，如表2所列。

表2 正交試驗(yàn)方案

按照設(shè)計(jì)的切削振動(dòng)試驗(yàn)方案，進(jìn)行CBN刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V有限元振動(dòng)仿真。從振動(dòng)方向、振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率等3個(gè)方面分析振動(dòng)對(duì)刀具磨損的影響。試驗(yàn)中，切削溫度與刀具摩擦有很大關(guān)系，在切削過程中，摩擦生熱，產(chǎn)生過高的溫度，會(huì)導(dǎo)致刀具表面發(fā)生磨損；刀具表面的應(yīng)力代表了刀具在力和熱作用下的變形，因此將切削溫度和刀具表面應(yīng)力作為衡量刀具磨損因子，即刀具表面承受的應(yīng)力越大、溫度越高，刀具越容易發(fā)生磨損。

2 結(jié)果與討論

2.1 X方向振動(dòng)對(duì)刀具磨損影響

圖3所示為當(dāng)切削過程中存在X方向振動(dòng)，其振動(dòng)幅度Ax=0.10 mm，不同振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度的影響。圖3表明，與無(wú)振動(dòng)切削相比，X方向振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率對(duì)刀具應(yīng)力和溫度影響不大，并未產(chǎn)生較大的變化。主要原因是X方向發(fā)生振動(dòng)，刀具切削刃對(duì)工件材料的剪切擠壓作用并未發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生的切削力與無(wú)振動(dòng)情況相比變化較小，因此刀具表面的應(yīng)力變化不大。X方向振動(dòng)時(shí)刀具溫度，刀具與工件接觸的面積、與切屑接觸的長(zhǎng)度并未發(fā)生明顯變化，如圖2a。因此摩擦系數(shù)基本不變，這就使得摩擦產(chǎn)生的熱量變化較小，造成溫度略高于無(wú)切削振動(dòng)情況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是X方向振動(dòng)仍會(huì)導(dǎo)致刀具與工件之間發(fā)生沖擊，每次沖擊都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，因此刀具溫度略有變大。在其他X方向振動(dòng)幅度和頻率下(試驗(yàn)組5～10)，與無(wú)切削振動(dòng)對(duì)比，有限元結(jié)果與X方向振動(dòng)幅度Ax=0.10 mm時(shí)的結(jié)果相似。

圖4為X方向切削振動(dòng)有限元仿真云圖。振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度的影響未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律，均存在隨著振動(dòng)頻率的增加，刀具應(yīng)力和溫度存在先變大再變小，或者先變小再變大的情況?？v向觀察圖4a，當(dāng)振動(dòng)頻率不變時(shí)，X方向振幅增加對(duì)刀具應(yīng)力的影響也沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化。觀察圖4b，發(fā)現(xiàn)X方向振幅和頻率較大時(shí)，刀具的溫度升高。

通過分析X方向切削振動(dòng)有限元結(jié)果，可以認(rèn)為與無(wú)切削振動(dòng)相比，在振動(dòng)條件下，X方向的振動(dòng)對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度影響不大且無(wú)規(guī)律性，因此X方向的振動(dòng)對(duì)刀具磨損的影響較小。

2.2 Y方向振動(dòng)對(duì)刀具磨損影響

圖5為沿Y方向產(chǎn)生切削振動(dòng)，振幅Ay=0.10 mm時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面應(yīng)力、溫度影響的有限元結(jié)果云圖。觀察圖5發(fā)現(xiàn)，與無(wú)切削振動(dòng)的情況相比，隨著切削振動(dòng)頻率增大，刀具表面承受的應(yīng)力增大。因?yàn)楦淖冋駝?dòng)頻率，致使刀具切削刃沿Y方向切削時(shí)不斷地振動(dòng)，使刀具實(shí)際進(jìn)給量不斷變化，且變化次數(shù)與振動(dòng)頻率直接相關(guān)，相當(dāng)于刀具切削刃在持續(xù)與工件發(fā)生沖擊，導(dǎo)致刀具切削刃處應(yīng)力增大。刀具切削刃處溫度也隨著振動(dòng)頻率增大而變大。因?yàn)檎駝?dòng)頻率的變化導(dǎo)致刀具切削刃與工件之間的接觸面積和長(zhǎng)度在不斷變化，因而摩擦系數(shù)在時(shí)刻發(fā)生變化，且頻率越大，摩擦系數(shù)變化越大，切削刃與工件材料產(chǎn)生熱量變多，溫度變大。這種刀具表面應(yīng)力、溫度隨著振動(dòng)頻率增大而變大的現(xiàn)象，均出現(xiàn)在沿Y方向振動(dòng)幅度Ay=0.15 mm，Ay=0.20 mm的切削振動(dòng)情況中。

圖6為Y方向切削振動(dòng)有限元仿真云圖。當(dāng)振幅不變時(shí)，刀具表面應(yīng)力和溫度隨著切削振動(dòng)頻率增大而變大。當(dāng)振動(dòng)頻率不變時(shí)，隨著切削振動(dòng)幅度變大，刀具表面應(yīng)力和溫度均變大。振動(dòng)幅度的增大使得刀具在該頻率下每發(fā)生一次切削振動(dòng)，刀具切削刃對(duì)工件材料的沖擊作用變大，振動(dòng)幅度越大，切削刃與工件材料之間的撞擊越嚴(yán)重，刀具切削刃處應(yīng)力變大。由于振動(dòng)幅度變大，切削刃與工件之間的摩擦作用變大，導(dǎo)致產(chǎn)生較多的切削熱，使溫度升高。

有限元結(jié)果表明，與無(wú)切削振動(dòng)情況相比，存在Y方向切削振動(dòng)時(shí)，刀具表面應(yīng)力增大，刀具切削刃處溫度升高。這2種影響因子共同作用，最終致使刀具磨損，并會(huì)加快刀具磨損速度，縮短刀具使用壽命。

2.3 X、Y方向振動(dòng)對(duì)刀具磨損影響

切削過程中存在X和Y方向均發(fā)生振動(dòng)的情況時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度的影響如圖7所示。通過對(duì)比分析圖7中刀具表面應(yīng)力分布和應(yīng)力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著振動(dòng)頻率增大，刀具后刀面的應(yīng)力分布范圍增大，并且應(yīng)力值也增大。同時(shí)，刀具溫度也隨著振動(dòng)頻率增大而升高，與上述試驗(yàn)結(jié)果中只存在Y方向的振動(dòng)時(shí)對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度的影響結(jié)果一致。此外，與只存在X方向或Y方向的振動(dòng)相比，X和Y方向均振動(dòng)使刀具表面應(yīng)力增大和溫度升高的幅度更為明顯。這表明在X和Y方向均振動(dòng)的條件下，刀具對(duì)工件的剪切擠壓作用更強(qiáng)，因此刀具表面承受的應(yīng)力增大。同時(shí)，切削過程中X和Y方向均振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致工件發(fā)生不穩(wěn)定的彈塑性變形。工件恢復(fù)變形會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，這些熱量傳遞到刀具刀尖處，同時(shí)X和Y方向均振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致刀具與工件材料之間的摩擦系數(shù)發(fā)生不穩(wěn)定變化，摩擦生熱與彈塑性變形產(chǎn)生的熱量均會(huì)導(dǎo)致切削溫度升高。

圖8為X、Y方向切削振動(dòng)有限元仿真云圖。觀察圖8中的曲線走勢(shì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X和Y方向的振動(dòng)幅度一定時(shí)，刀具表面應(yīng)力和溫度均隨振動(dòng)頻率增大呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)。

縱向觀察圖8a和圖8b中的曲線，當(dāng)X方向和Y方向振動(dòng)幅度Ax=Ay=0.20 mm時(shí)，在較大的振動(dòng)頻率下，刀具表面應(yīng)力和溫度均最高，刀具產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損。因?yàn)樵谠撜駝?dòng)條件下，刀具表面應(yīng)力和溫度最大。圖8b表明X方向和Y方向振動(dòng)幅度Ax=Ay=0.10 mm時(shí)，刀具的溫度比振動(dòng)幅度Ax=0.10 mm，Ay=0.15 mm產(chǎn)生的刀具溫度大，但其應(yīng)力相對(duì)較小，這表明當(dāng)X方向和Y方向振動(dòng)幅度相同時(shí)，振動(dòng)對(duì)刀具溫度的影響較大，而Y方向的振動(dòng)幅度對(duì)刀具的應(yīng)力影響較大。當(dāng)X和Y方向振動(dòng)相同時(shí)，刀具切削刃對(duì)工件材料的剪切擠壓作用相對(duì)穩(wěn)定，而Y方向作為切深方向，當(dāng)Y方向振動(dòng)幅度大于X方向，刀具切削刃的沖擊強(qiáng)度變大，導(dǎo)致刀具產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在切削過程中，X方向和Y方向均發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度具有較大的影響，在較大的振動(dòng)幅度和較快的振動(dòng)頻率下，會(huì)導(dǎo)致刀具表面應(yīng)力增大和溫度升高，容易造成刀具磨損。

3 振動(dòng)切削試驗(yàn)

針對(duì)有限元仿真分析結(jié)果，綜合圖3、圖5和圖7中刀具表面的應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)，明顯可知當(dāng)X、Y方向均存在振動(dòng)，且振動(dòng)幅度為0.20 mm、振動(dòng)頻率300 Hz時(shí)刀具應(yīng)力和溫度最大，會(huì)對(duì)刀具造成較為嚴(yán)重的磨損。為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，故設(shè)計(jì)振動(dòng)切削試驗(yàn)，選取無(wú)振動(dòng)切削和試驗(yàn)組28(X、Y方向均振動(dòng)、振動(dòng)幅度0.20 mm、振動(dòng)頻率300 Hz)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9是切削試驗(yàn)所用CBN刀具，其型號(hào)是CNMN 120408。有限元仿真是通過刀具應(yīng)力和切削溫度作為因子分析刀具磨損情況的。在切削試驗(yàn)中，可以使用顯微儀器直接觀察刀具表面磨損情況。

經(jīng)過相同的切削時(shí)間，使用萊卡(Leica)超景深顯微鏡觀察刀具磨損情況(圖10)。發(fā)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)切削時(shí)刀具磨損長(zhǎng)度為1.255 mm。當(dāng)X、Y方向均振動(dòng)、振動(dòng)幅度0.20 mm、振動(dòng)頻率300 Hz時(shí)刀具前刀面磨損長(zhǎng)度為2.853 mm，刀具磨損嚴(yán)重。這與有限元仿真結(jié)果基本一致，表明了振動(dòng)對(duì)刀具磨損有很大的影響，因此，在實(shí)際切削加工過程中，需要控制振動(dòng)，盡量減小振動(dòng)發(fā)生，甚至避免振動(dòng)。

4 結(jié)論

試驗(yàn)針對(duì)CBN刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V，利用有限元分析技術(shù)，經(jīng)過大量重復(fù)試驗(yàn)，深入分析研究了切削振動(dòng)對(duì)刀具磨損的影響，并得到如下結(jié)論：

(1)與無(wú)切削振動(dòng)相比，X方向振動(dòng)對(duì)刀具表面應(yīng)力和溫度影響較小，故刀具磨損幾乎不受X方向振動(dòng)的影響；

(2)Y方向振動(dòng)對(duì)刀具磨損影響較大，表現(xiàn)為隨著切削振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度增大，刀具表面應(yīng)力增大大、溫度升高；

(3)在X和Y方向均存在振動(dòng)條件下，刀具表面應(yīng)力和溫度變化較大，尤其在X和Y方向的振動(dòng)頻率為300 Hz和振動(dòng)幅度為0.20 mm條件下，刀具表面應(yīng)力最大、溫度最高，表明刀具磨損最嚴(yán)重；

(4)利用切削試驗(yàn)對(duì)有限元仿真進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)X、Y方向均振動(dòng)、振動(dòng)幅度0.20 mm、振動(dòng)頻率300 Hz時(shí)刀具磨損比無(wú)振動(dòng)時(shí)嚴(yán)重，與有限元分析基本一致。