王書利，張 瑩，蔡 瑛，姜增輝

(1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

1 引言

高強(qiáng)度鋼因其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫及良好的成形性等特點(diǎn)不僅廣泛應(yīng)用在民用工業(yè)領(lǐng)域，在常規(guī)武器制造領(lǐng)域也擁有很大的需求[1]。高強(qiáng)度鋼材料在切削加工過程中切削力較大，由于切削力是機(jī)床、夾具設(shè)計(jì)和選用的重要參考依據(jù)[2-3]，是選擇刀具時(shí)需要考慮的重要因素，因此，為合理選擇機(jī)床和刀具，提高切削加工時(shí)的穩(wěn)定性和改善工件表面質(zhì)量，對(duì)高強(qiáng)度鋼切削中切削力的研究具有重要意義。

通過仿真研究切削力效率高、成本相對(duì)較低，近年來逐漸受到一些學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[4]通過DEFORM-3D仿真研究了合金鋼30CrNiMo8在不同切削參數(shù)下的切削力變化情況。文獻(xiàn)[5]基于正交試驗(yàn)建立了高強(qiáng)度鋼H13銑削力和表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。文獻(xiàn)[6]基于ABAQUS進(jìn)行了30CrMnSiA合金鋼正交切削仿真，得到了刀具幾何角度對(duì)切削過程中的塑性變形區(qū)域和應(yīng)力分布區(qū)域的影響規(guī)律。

基于AdvantEdge建立了高強(qiáng)度鋼34CrNiMo6的切削仿真模型，研究了切削加工高強(qiáng)度鋼時(shí)刀具幾何角度對(duì)切削力的影響規(guī)律。

2 仿真建模

2.1 本構(gòu)模型

材料本構(gòu)模型采用冪指數(shù)模型：

式中，g(εp)—應(yīng)變硬化項(xiàng)；Γ(ε˙)-應(yīng)變率敏感項(xiàng)；Θ(T)-熱軟化項(xiàng)。

應(yīng)變硬化項(xiàng)表達(dá)式如下，如果εp＜εpcut，則：

式中：σ0—初始屈服應(yīng)力；εp—塑性應(yīng)變；— 切斷應(yīng)變；—參考塑性應(yīng)變；n—應(yīng)變硬化指數(shù)。

熱軟化項(xiàng)表達(dá)式如下，如果T＜Tcut，則：

如果T≥Tcut，則：

式中：c0～c5—多項(xiàng)式擬合系數(shù)；T—溫度；Tcut—線性切斷溫度；Tmelt—材料熔點(diǎn)溫度。

2.2 接觸摩擦模型

接觸摩擦模型采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.5，表達(dá)式如下：

式中：τf—摩擦力；μ—摩擦系數(shù)；p—正壓力。

2.3 仿真切削力

仿真得到的34CrNiMo6高強(qiáng)度鋼正交切削過程，如圖1所示。后處理得到仿真切削力，如圖2所示。(圖中Force-X為主切削力Fc，F(xiàn)orce-Y為進(jìn)給抗力Ff)。

圖1 切削過程仿真Fig.1 Simulation of the Cutting Process

34CrNiMo6的抗拉強(qiáng)度為1300 N/mm2，由刀具切削手冊(cè)[7]查得此類高強(qiáng)度鋼材的主切削力計(jì)算公式：

式中：Fc—主切削力/N；

Kc—單位切削力/(N/mm2)；

h—切削厚度/mm；m—修正系數(shù)；

A—切屑截面積/mm2，且：

式中：ap—切削深度/mm；

fa—進(jìn)給量/(mm/r)；

Kr—刀具的主偏角/(°)。

圖2 仿真瞬時(shí)切削力Fig.2 Simulation of the Instantaneous Cutting Force

刀具切削手冊(cè)[7]查得，由切削實(shí)驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度為1100-1400N/mm2高合金鋼的單位主切削力Kc=2500N/mm2，修正系數(shù)m=0.25。由此計(jì)算得到在ap=1mm，fa=0.3mm/r，Kr=90°條件下的主切削力為1013.4N。對(duì)比圖2仿真切削力可知，仿真主切削力峰值為971.2N，由于仿真切削中忽略了刀具磨損后刃口半徑增大對(duì)切削力的增大影響，因此仿真切削力略小于由式(9)得到的計(jì)算值。總體來看，仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果是比較接近的，可以證明仿真模型的有效性。

3 仿真研究方案

為研究刀具主要幾何角度對(duì)切削力的影響規(guī)律，以刀具刃口半徑ρ、刀具前角γ0、刀具后角α0作為三個(gè)主要因素，建立三因素四水平的正交仿真研究方案，如表1所示。

表1 L16(43)正交仿真研究方案Tab.1 L16(43)Orthogonal Simulation Research Scheme

仿真切削參數(shù)為：切削速度vc=100m/min、進(jìn)給量fa=0.3mm/r、切削深度ap=1mm、干切削。

4 極差分析

根據(jù)L16(43)正交仿真方案，進(jìn)行了仿真研究，得到主切削力Fc、進(jìn)給抗力Ff，如表2所示。切削力Fc、Ff的極差分析結(jié)果，如表3所示。由極差值得到對(duì)主切削力Fc影響的各個(gè)因素主次順序?yàn)椋喝锌诎霃剑厩敖牵竞蠼?，在選定的研究參數(shù)范圍內(nèi)，主切削力最小的最優(yōu)方案為A1B4C1，即ρ=0.01mm，γ0=10°，α0=4°；對(duì)進(jìn)給抗力Ff影響的各個(gè)因素主次順序?yàn)椋呵敖牵救锌诎霃剑竞蠼?，在選定的研究參數(shù)范圍內(nèi)，進(jìn)給抗力最小的最優(yōu)方案為A1B4C2，即ρ=0.01mm，γ0=10°，α0=8°。

表2 L16(43)正交仿真切削力Tab.2 L16(43)Orthogonal Simulation Cutting Force

表3 切削力仿真結(jié)果極差表Tab.3 Range Analysis Table of Simulation Cutting Force

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)做出切削參數(shù)對(duì)切削力影響的直觀分析圖，如圖3所示。由此可知，主切削力、進(jìn)給抗力均隨著刀具刃口半徑的增大而增大，隨著刀具前角的增大而減小，而后角變化對(duì)二者均無明顯影響。

圖3 刀具幾何角度對(duì)切削力的影響Fig.3 The Influence of the Tool Geometry Angle on the Cutting Force

5 方差分析

5.1 主切削力Fc方差分析

對(duì)主切削力進(jìn)行方差分析計(jì)算得到結(jié)果，如表4所示。通過對(duì)F值分布表進(jìn)行查閱可得到其臨界值為F0.05(3，6)=4.757，F(xiàn)0.01(3，6)=9.78。

表4 主切削力Fc方差分析表Tab.4 Variance Analysis Table of the Main Cutting Force Fc

由表4可知：對(duì)于主切削力Fc，刃口半徑和前角影響非常顯著，后角影響不顯著。刀具幾何角度中對(duì)主切削力Fc影響的顯著性順序?yàn)椋喝锌诎霃剑厩敖牵竞蠼恰?/p>

5.2 進(jìn)給抗力Ff方差分析

對(duì)進(jìn)給抗力進(jìn)行方差分析計(jì)算得到結(jié)果，如表5所示。對(duì)于進(jìn)給抗力Ff來說，刃口半徑和前角影響非常顯著，后角影響不顯著。刀具幾何角度中對(duì)進(jìn)給抗力Ff影響的顯著性順序?yàn)椋呵敖牵救锌诎霃剑竞蠼恰?/p>

表5 進(jìn)給抗力Ff方差分析表Tab.5 Variance Analysis Table of the Feed Force Ff

6 結(jié)論

(1)刀具幾何角度對(duì)主切削力Fc影響的主次關(guān)系為：刃口半徑＞前角＞后角；對(duì)進(jìn)給抗力Ff影響的主次關(guān)系為：前角＞刃口半徑＞后角。(2)主切削力Fc、進(jìn)給抗力Ff均隨著刃口半徑的增大而增大，隨著前角的增大而減小。后角變化對(duì)二者均無明顯影響。(3)由方差分析可知，刃口半徑對(duì)主切削力Fc影響最顯著，前角對(duì)進(jìn)給抗力Ff影響最顯著，后角對(duì)切削力Fc、Ff影響均不顯著。