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        溝槽形微織構(gòu)刀具切削性能仿真研究

        2020-12-02 04:25:16,,
        機(jī)械與電子 2020年11期
        關(guān)鍵詞:微織構(gòu)切削性能織構(gòu)

        ,,

        (貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003)

        0 引言

        切削加工中常通過澆注切削液以起到冷卻和潤滑的作用,但切削液的存儲(chǔ)、使用以及處理會(huì)增加企業(yè)成本,甚至危害工人健康和自然環(huán)境。采用干切削是避免切削液缺點(diǎn)的最有效方法,但干切削時(shí)因冷卻潤滑條件差,會(huì)產(chǎn)生切削力大、切削溫度高以及刀具磨損嚴(yán)重等不利情況。因此,迫切需要研發(fā)針對干切削特點(diǎn)的新型刀具。研究表明,合理的表面微織構(gòu)形貌和尺寸可實(shí)現(xiàn)良好的減摩抗磨性[1-2]。因此在刀具表面摩擦磨損嚴(yán)重區(qū)域制備合理的微織構(gòu),可提高刀具切削性能和抗熱磨損性能。

        近年來,微織構(gòu)刀具開始受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。戚寶運(yùn)等[3]進(jìn)行了鈦合金切削試驗(yàn),分析了在微量潤滑和無潤滑劑2種不同潤滑條件下微織構(gòu)刀具的摩擦磨損性能。Lei等[4]開展了微織構(gòu)自潤滑刀具切削1045鋼試驗(yàn),利用Algor軟件分析了微坑尺寸對刀具性能的影響,并進(jìn)行了微織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具切削性能的對比研究。Kiyota等[5]開展了AISI 1045鋼正交切削試驗(yàn),研究了織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具在切削過程中切削力、摩擦系數(shù)和切屑變形的規(guī)律。

        本文以微織構(gòu)和無織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金(Ti6Al4V)為研究對象,運(yùn)用金屬切削仿真軟件AdvantEdge進(jìn)行了干式切削仿真,對比分析了2種刀具的切削力、切削刃最高溫度以及刀具最大應(yīng)力的變化規(guī)律。研究結(jié)果可為微織構(gòu)刀具設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        1 切削模型建立

        1.1 材料模型

        基于Johnson-Cook模型描述鈦合金材料的本構(gòu)行為,其表達(dá)式為

        (1)

        表1 工件材料J-C本構(gòu)參數(shù)

        1.2 微織構(gòu)幾何參數(shù)

        采用溝槽形微織構(gòu)刀具,織構(gòu)位于前刀面上的主切削刃附件,織構(gòu)方向垂直于主切削刃,截面為V形,織構(gòu)截面形狀和尺寸分別如圖1和表2所示。

        圖1 微溝槽尺寸示意

        表2 前刀面上織構(gòu)參數(shù) μm

        1.3 切削仿真參數(shù)

        使用的工件材料為Ti6Al4V,工件模型長5 mm,高2 mm。刀具為無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具2種,材料均為硬質(zhì)合金,仿真中采用的切削參數(shù)均一致。表3為2種材料的力學(xué)和物理性能參數(shù)[6-8],刀具角度和切削用量如表4所示。設(shè)定初始切削溫度為20 ℃,切削過程中忽略空氣的對流傳熱,建立的微織構(gòu)刀具二維正交切削模型如圖2所示。

        表3 刀具和工件材料力學(xué)、物理性能

        表4 切削仿真參數(shù)

        圖2 微織構(gòu)刀具二維正交切削模型

        2 仿真結(jié)果分析

        2.1 刀具切削刃最高溫度

        從2種刀具提取的溫度分布云圖和切削刃最高溫度分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知,無織構(gòu)刀具高溫區(qū)面積明顯大于微織構(gòu)刀具(圖3圈中區(qū)域),微織構(gòu)刀具切削刃最高溫度相對無織構(gòu)刀具降低了4%,其散熱性能也優(yōu)于無織構(gòu)刀具。主要原因?yàn)榍暗睹嫔系奈喜蹨p小了刀-屑直接接觸面積,減少了刀-屑摩擦作用產(chǎn)生的熱量,增大了刀具散熱面積[3-9]。

        圖3 刀具溫度分布云圖

        圖4 刀具切削刃最高溫度仿真結(jié)果

        2.2 切削力

        由2種刀具的主切削力時(shí)域變化曲線(如圖5所示)可知,干切削時(shí)微織構(gòu)刀具相對于無織構(gòu)刀具切削力更小,但切削力震蕩更加激烈,主要原因?yàn)榍邢鬟^程中刀-屑接觸面積不斷變化。切削力仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可知,相對于無織構(gòu)刀具,微織構(gòu)刀具切削過程中主切削力減小3%,進(jìn)給力減小7%。該現(xiàn)象主要由2方面的原因引起:一方面織構(gòu)的存在減小了刀-屑直接接觸面積,改善了刀-屑間的摩擦狀況;另一方面微織構(gòu)相當(dāng)于使前刀面上存在多個(gè)切削刃同時(shí)進(jìn)行切削[2-3,10]。

        圖5 切削力時(shí)域變化

        圖6 切削力仿真結(jié)果

        2.3 刀具切削刃最大應(yīng)力

        從2種刀具提取的應(yīng)力分布云圖和最大應(yīng)力值分別如圖7和圖8所示,由圖7和圖8可知,微織構(gòu)刀具切削刃最大應(yīng)力比無織構(gòu)刀具低22%,無織構(gòu)刀具最大應(yīng)力主要分布在切削刃附件區(qū)域,而微織構(gòu)刀具則主要集中在切削刃和溝槽附件(圖7圈中區(qū)域),刀具整體應(yīng)力分布也較為均勻。這是由于微織構(gòu)的存在使得原本由切削刃承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖棙?gòu)的面接觸,減少了部分高應(yīng)力區(qū)數(shù)量,改善了前刀面上的應(yīng)力分布[2-3]。

        圖7 刀具最大應(yīng)力分布云圖

        圖8 刀具最大應(yīng)力仿真結(jié)果

        3 結(jié)束語

        利用AdvantEdge軟件開展了微織構(gòu)和無織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具干式切削Ti6Al4V仿真研究,得到以下結(jié)論:

        a.相對于無織構(gòu)刀具,微織構(gòu)刀具散熱性能更優(yōu),切削刃最高溫度更低,高溫區(qū)面積更小。

        b.微織構(gòu)刀具切削力小于無織構(gòu)刀具,但震蕩更劇烈。

        c.微織構(gòu)刀具最大應(yīng)力低于無織構(gòu)刀具,應(yīng)力主要集中在溝槽附件,刀具整體應(yīng)力分布較為均勻。

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