劉偉，劉順，梁桂強(qiáng)，袁厚才

微織構(gòu)刀具切削性能及減摩效果的仿真分析

劉偉1，劉順1，梁桂強(qiáng)2，袁厚才1

（1.湖南科技大學(xué) 難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南領(lǐng)航科創(chuàng)教育科技有限公司，湖南 湘潭 411100）

研究3種不同類(lèi)型微織構(gòu)在鈦合金（TC4）切削過(guò)程中對(duì)刀具切削性能的影響。基于有限元分析軟件，在硬質(zhì)合金刀具的前刀面上設(shè)計(jì)半圓凹型微織構(gòu)、半圓凸型微織構(gòu)以及梯形槽微織構(gòu)3種不同類(lèi)型的微織構(gòu)，通過(guò)改變微織構(gòu)直徑或?qū)挾?、微織?gòu)間距和微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度，研究微織構(gòu)刀具對(duì)背向力、切削溫度以及摩擦力的影響。對(duì)背向力而言，半圓凹型微織構(gòu)刀具、半圓凸型微織構(gòu)刀具、梯型槽微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下可分別降低14.0%、13.9%、18.6%；但半圓凸型微織構(gòu)直徑大于8 μm時(shí)，背向力超過(guò)了無(wú)織構(gòu)刀具。對(duì)切削溫度而言，3種微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下可分別降低5.9%、10.7%、9.6%。對(duì)刀具所受摩擦力而言，3種微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下可分別降低23.0%、27.7%、21.9%。合理的表面微織構(gòu)能夠改善刀具的切削性能。梯型槽微織構(gòu)刀具降低背向力效果最佳；半圓凸型微織構(gòu)刀具降溫和減摩效果最佳。刀具切削性能隨微織構(gòu)直徑和微織構(gòu)間距的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，且存在最優(yōu)的微織構(gòu)參數(shù)。在刀-屑接觸長(zhǎng)度范圍內(nèi)，微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，減摩效果越好。

微織構(gòu)；有限元仿真；鈦合金；背向力；切削溫度；減摩特性

隨著仿生學(xué)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)某些動(dòng)植物表面具有微小的紋理結(jié)構(gòu)，這些表面微結(jié)構(gòu)具有摩擦因數(shù)低、潤(rùn)滑性良好等特點(diǎn)[1]。刀具表面微織構(gòu)是指參照仿生學(xué)原理，在刀具表面加工出尺寸為微米級(jí)的凹坑、凹槽、凸包、橢圓、圓形以及魚(yú)鱗狀等結(jié)構(gòu)，可以提升刀具的切削性能以及摩擦特性[2]。采用激光、電火花等工藝將刀具參與切削的表面制成一定的微織構(gòu)，有助于提高刀具的潤(rùn)滑性能，減緩刀具磨損[3-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微織構(gòu)刀具切削性能做了大量實(shí)驗(yàn)研究。楊立軍等[4]應(yīng)用飛秒激光技術(shù)在硬質(zhì)合金車(chē)刀前刀面加工出平行凹槽紋理和垂直凹槽紋理，并研究了2種微紋理對(duì)切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)具有特定尺寸參數(shù)的平行凹槽可以顯著地提高切削性能，有利于主切削力、摩擦因數(shù)的改善。劉鑫等[5]用微織構(gòu)拉刀和常規(guī)拉刀進(jìn)行了干法拉削實(shí)驗(yàn)，微織構(gòu)拉刀能有效降低拉削力，極大提高工件表面質(zhì)量。Devaraj等[6]用具有微織構(gòu)的車(chē)刀對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了加工，結(jié)果表明微織構(gòu)能夠有效保留潤(rùn)滑劑，從而提高潤(rùn)滑效果，使表面粗糙度降低，切削功耗減小。Pratap等[7]采用微電放電加工工藝在多晶金剛石（PCD）磨刀的端面加工出微織構(gòu)，使刀具磨削區(qū)域上的切屑粘附和磨損明顯減少。Rajbongshi等[8]比較了點(diǎn)紋織構(gòu)、溝槽織構(gòu)和無(wú)織構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀具的切削性能，其中織構(gòu)刀能夠有效減少刀具側(cè)翼磨損，點(diǎn)紋織構(gòu)刀具具有更好的耐磨性。

復(fù)雜刀具制造困難，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且微織構(gòu)加工成本較高，故許多研究人員采用有限元模擬方法來(lái)研究微織構(gòu)刀具的性能。Ma等[9]利用有限元軟件模擬了微槽寬度、邊緣距離和寬深比3種織構(gòu)參數(shù)對(duì)鈦合金三維車(chē)削時(shí)主切削力和切屑形態(tài)的影響，得到了主切削力最小的織構(gòu)參數(shù)范圍。王曉明等[10]設(shè)計(jì)了等間距、不等間距以及混合型3種微織構(gòu)刀具模型，進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)3種織構(gòu)刀具能夠減小前刀面溫度、降低主切削力，微織構(gòu)間距分布對(duì)刀具減摩效果有一定影響。Arulkirubakaran等[11]利用有限元仿真研究了交叉紋理微織構(gòu)、平行紋理微織構(gòu)以及垂直紋理微織構(gòu)刀具切削性能，其中垂直紋理微織構(gòu)刀具的切削性能最佳，切屑更易卷曲。Kang等[12]采用有限元方法研究了不同幾何形狀的微織構(gòu)鉆頭在高溫合金加工中的性能，織構(gòu)刀具最高溫度可降低4.6%～8.9%，切削力可下降12.3%～ 32.1%，增加微織構(gòu)的寬度可避免二次切削現(xiàn)象。

對(duì)于微織構(gòu)刀具仿真研究，多數(shù)學(xué)者研究了同一織構(gòu)在特定參數(shù)下的微織構(gòu)分布，對(duì)于不同微織構(gòu)類(lèi)型在同一系列參數(shù)下的研究較少。為此設(shè)計(jì)了3種不同類(lèi)型的硬質(zhì)合金微織構(gòu)刀具，在同一裝配模型、相同切削參數(shù)下，進(jìn)行有限元分析對(duì)比，從背向力、切削溫度、減摩效果等方面研究了微織構(gòu)刀具的不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)鈦合金的切削加工性能的影響，為制備微織構(gòu)刀具提供理論依據(jù)。

1 有限元仿真模型及微織構(gòu)刀具設(shè)計(jì)

1.1 幾何模型的建立

設(shè)置刀具前角=3°，后角=13°，刀尖鈍圓半徑=0.01 mm，如圖1所示。為減小有限元模型計(jì)算規(guī)模，取工件尺寸為0.8 mm×0.4 mm，如圖2所示，限制工件的6個(gè)自由度，使底面完全固定；工件網(wǎng)格采用四面體（Quard）單元，網(wǎng)格上密下疏，上半部分切削區(qū)域網(wǎng)格尺寸為4 μm。刀具限制5個(gè)自由度，按設(shè)定速度進(jìn)行切削；刀具網(wǎng)格采用三角形（Tri）單元，刀尖及前后刀面網(wǎng)格密，刀尖網(wǎng)格大小為4 μm，由刀尖過(guò)渡到刀體的網(wǎng)格漸疏，織構(gòu)刀具前刀面織構(gòu)部分進(jìn)行網(wǎng)格密化，網(wǎng)格大小為2 μm。

圖1 刀具模型尺寸

圖2 有限元模型

1.2 材料本構(gòu)模型的設(shè)定

Johnson-Cook模型認(rèn)為材料在高應(yīng)變速率下表現(xiàn)為應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化和熱軟化效應(yīng)，其本構(gòu)方程為[13]：

刀具材料為硬質(zhì)合金，其主要力學(xué)性能見(jiàn)表1。工件材料為鈦合金TC4，選用Johnson-Cook本構(gòu)模型。鈦合金TC4的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2[13]。

1.3 切屑分離準(zhǔn)則的設(shè)定

在切削仿真過(guò)程中，需根據(jù)材料屬性設(shè)定切屑分離準(zhǔn)則，以便材料的去除。對(duì)于金屬材料采用Johnson-Cook剪切失效準(zhǔn)則，失效參數(shù)的定義為：

表1 硬質(zhì)合金刀具物理及力學(xué)性能

Tab.1 Physical and mechanical properties of hard alloy tool

表2 工件(TC4)的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

Tab.2 Parameters of Johnson-Cook constitutive model of workpiece TC4

表3 工件(TC4)的Johnson-Cook剪切失效模型參數(shù)

Tab.3 Parameters of Johnson-Cook shear failure model of workpiece TC4

1.4 微織構(gòu)刀具設(shè)計(jì)

以無(wú)織構(gòu)刀具（T0）為對(duì)照組，設(shè)計(jì)了3種微織構(gòu)刀具，分別為半圓凹型微織構(gòu)刀具（T1）、半圓凸型微織構(gòu)刀具（T2）和梯型槽微織構(gòu)刀具（T3）。在切削速度為1000 mm/s、切削深度為0.1 mm、摩擦因數(shù)為0.2的工況下進(jìn)行有限元仿真，從背向力、切削溫度和摩擦力等方面探討3種微織構(gòu)的不同參數(shù)組合對(duì)刀具切削性能的影響。刀具織構(gòu)類(lèi)型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，仿真模型刀具參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。

圖3 微織構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分

表4 仿真模型刀具參數(shù)

Tab.4 Tool parameters of simulation model

2 有限元仿真結(jié)果與分析

2.1 不同微織構(gòu)刀具對(duì)背向力的影響

切削力示意圖如圖4所示，c為沿切削速度方向的主切削力，p為背向力，為兩者的合力。通過(guò)圖像處理軟件Origin進(jìn)行濾波以及平滑處理后的主切削力和背向力隨時(shí)間變化曲線如圖5a和5b所示。鈦合金切屑形態(tài)呈明顯的鋸齒狀，切削力也隨之發(fā)生波動(dòng)，與文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。其中主切削力較大，但各刀具間主切削力差距不明顯，故取穩(wěn)定切削階段（0.002～0.006 s）的背向力進(jìn)行研究分析。

圖4 切削力示意

圖6為3種不同微織構(gòu)刀具在不同微織構(gòu)直徑/寬度、微織構(gòu)間距以及微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度時(shí)的背向力仿真結(jié)果對(duì)比。圖6a為微織構(gòu)間距為20 μm，覆蓋長(zhǎng)度為300 μm時(shí)背向力隨微織構(gòu)直徑/寬度變化的仿真結(jié)果。對(duì)半圓凹型微織構(gòu)和梯型槽微織構(gòu)而言，微織構(gòu)直徑/寬度=6 μm時(shí)2種刀具背向力最小，當(dāng)微織構(gòu)直徑從6 μm增加到12 μm時(shí)背向力逐漸增大，但仍低于無(wú)織構(gòu)刀具，最佳微織構(gòu)直徑為4～8 μm。對(duì)半圓凸型微織構(gòu)而言，隨著微織構(gòu)直徑的變化，其趨勢(shì)與半圓凹型和梯型槽微織構(gòu)大致相同，均為先減小后增大，但當(dāng)半圓凸型微織構(gòu)刀具微織構(gòu)直徑大于8 μm時(shí)，背向力超過(guò)了無(wú)織構(gòu)刀具。圖6b為微織構(gòu)直徑/寬度為8 μm，覆蓋長(zhǎng)度為300 μm時(shí)背向力隨微織構(gòu)間距變化的仿真結(jié)果。隨著微織構(gòu)直徑/寬度以及微織構(gòu)間距的增加，3種微織構(gòu)刀具背向力均先減小后增大，但半圓凸型微織構(gòu)減小背向力的效果不佳。對(duì)比圖6a可知，相對(duì)于微織構(gòu)直徑/寬度對(duì)背向力的影響，微織構(gòu)間距對(duì)背向力的影響幅度較小。圖6c為微織構(gòu)直徑/寬度為8 μm，間距為20 μm時(shí)背向力隨微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度變化的仿真結(jié)果。隨著微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度的增加，半圓凹型微織構(gòu)和梯形微織構(gòu)刀具的背向力逐漸減小，微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，背向力降低的幅度逐漸減??；而半圓凸型微織構(gòu)刀具隨著微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度的增加先減小后增大。

總體而言，3種微織構(gòu)刀具在合理的織構(gòu)尺寸下均有降低背向力的作用。半圓凸型微織構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)易導(dǎo)致背向力過(guò)大，這是由于半圓凸型微織構(gòu)刀具的微凸起使二次切削作用[12]加劇，背向力增大；因此實(shí)際加工時(shí)，半圓凸型微織構(gòu)的織構(gòu)尺寸不宜過(guò)大。與無(wú)織構(gòu)刀具相比，半圓凹型織構(gòu)刀具B2的最大背向力可降低14.0%，梯型槽微織構(gòu)刀具D3的最大背向力可降低18.6%；梯形槽微織構(gòu)刀具降低背向力的效果最佳，半圓凹型微織構(gòu)刀具次之。

圖5 切削力隨時(shí)間變化曲線

圖6 背向力仿真結(jié)果對(duì)比

2.2 不同微織構(gòu)刀具對(duì)切削溫度的影響

對(duì)表4中各組不同類(lèi)型及尺寸的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到刀具切削過(guò)程的溫度云圖。圖7為無(wú)織構(gòu)刀具T0、半圓凹型微織構(gòu)刀具B3、半圓凸型微織構(gòu)刀具C3和梯型槽微織構(gòu)刀具D3穩(wěn)定切削時(shí)刻的溫度云圖?？梢钥闯龅毒咦罡邷囟染霈F(xiàn)在刀尖附近，微織構(gòu)對(duì)刀具溫度分布影響不大，溫度梯度均呈圓弧狀向外發(fā)散，但在一定程度上降低了切削溫度。如圖7a所示，標(biāo)記了刀具刀尖高溫區(qū)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別提取穩(wěn)定切削時(shí)刻各刀具刀尖3點(diǎn)溫度并取平均值進(jìn)行對(duì)比分析，切削溫度仿真結(jié)果如圖8所示。

隨著微織構(gòu)直徑/寬度以及微織構(gòu)間距的增加，3種微織構(gòu)刀具溫度均呈先減小后增加的趨勢(shì)，其中半圓凹型微織構(gòu)刀具切削溫度的變化幅度很小，降溫效果較差；隨著微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度的增加，切削溫度逐漸減小，當(dāng)微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度增加到一定程度后趨于平緩。與無(wú)織構(gòu)刀具相比，半圓凹型微織構(gòu)刀具最高溫度可降低5.9%，半圓凸型微織構(gòu)刀具最高溫度可降低10.7%，梯型槽微織構(gòu)刀具的最高溫度可降低9.6%，半圓凸型織構(gòu)和梯形槽微織構(gòu)刀具的散熱效果相對(duì)明顯。由于微凹槽及微凸起的存在，減小了刀-屑接觸面積，同時(shí)也減少了工件與刀具的熱傳導(dǎo)；微織構(gòu)與切屑之間間隙的存在提供了更多的散熱空間，提高了對(duì)流散熱效果。此外，圖6表明合理的微織構(gòu)能夠有效減少背向力，故切削過(guò)程中消耗的能量較少，這也可以減少熱量的產(chǎn)生，這些因素共同導(dǎo)致了切削溫度的降低。合理的微織構(gòu)能夠有效降低切削溫度，降溫效果依次為：半圓凸型微織構(gòu)刀具＞梯型槽微織構(gòu)刀具>半圓凹型微織構(gòu)刀具。

2.3 不同微織構(gòu)刀具對(duì)摩擦力的影響

鈦合金切削時(shí)易發(fā)生粘刀現(xiàn)象，加劇磨損，合理微織構(gòu)的存在能夠減小刀具磨損，提高刀具使用壽命[3]?，F(xiàn)對(duì)仿真過(guò)程刀-屑摩擦力進(jìn)行分析，研究不同微織構(gòu)分布對(duì)刀具減摩效果的影響，仿真結(jié)果如圖9所示。

刀-屑間摩擦力隨微織構(gòu)直徑/寬度的變化如圖9a所示。從仿真結(jié)果可知，3種微織構(gòu)刀具摩擦力隨微織構(gòu)直徑/寬度的變化趨勢(shì)相似，均呈先減小后增加的趨勢(shì)。微織構(gòu)刀具所受摩擦力均小于無(wú)織構(gòu)刀具，這意味著在此范圍內(nèi)的微織構(gòu)對(duì)減小摩擦力是有效的，3種微織構(gòu)刀具均存在最佳微織構(gòu)直徑/寬度。刀-屑間摩擦力隨織間距的變化如圖9b所示。隨著微織構(gòu)間距的增加，半圓凹型微織構(gòu)刀具所受摩擦力略有波動(dòng)，大致呈增加的趨勢(shì)，半圓凸型微織構(gòu)刀具和梯型槽微織構(gòu)刀具所受摩擦力先減小后增加；對(duì)半圓凹型微織構(gòu)刀具而言，微織構(gòu)間距為10 μm時(shí)摩擦力最小，對(duì)半圓凸型微織構(gòu)刀具而言，微織構(gòu)間距為20 μm時(shí)摩擦力最小，對(duì)半圓梯型槽微織構(gòu)刀具而言，微織構(gòu)間距為15 μm時(shí)摩擦力最小，由曲線變化趨勢(shì)可以推測(cè)3種微織構(gòu)刀具均存在最優(yōu)的織構(gòu)間距，這將顯著降低刀具所受摩擦力，提高刀具壽命。刀-屑間摩擦力隨微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度的變化如圖9c所示。隨著微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度的增加，刀具所受摩擦力逐漸減小。微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度從0增大到200 μm左右時(shí)，摩擦力降低效果明顯；圖10為半圓凹形微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度為200 μm（刀具B11）以及微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度為300 μm（刀具B3）在穩(wěn)定切削時(shí)刻的切屑形態(tài)示意圖，當(dāng)微織構(gòu)覆蓋長(zhǎng)度進(jìn)一步增加時(shí)，由于切屑的卷曲，刀具前刀面與切屑的接觸長(zhǎng)度不再增加，故摩擦力無(wú)明顯變化。與無(wú)織構(gòu)刀具相比，3種微織構(gòu)刀具皆能有效減小摩擦力以及刀具磨損，半圓凹型微織構(gòu)刀具B6的摩擦力降低了23.0%，半圓凸型微織構(gòu)刀具C12的摩擦力降低了27.7%，梯型槽微織構(gòu)刀具D4的摩擦力降低21.9%，故半圓凸型微織構(gòu)刀具減摩效果最佳。

圖7 刀具溫度分布云圖

圖8 切削溫度仿真結(jié)果對(duì)比

圖9 摩擦力仿真結(jié)果對(duì)比

為探究微織構(gòu)刀具減摩效果與刀-屑接觸面積的關(guān)系，對(duì)3種微織構(gòu)各自減摩效果最佳的刀具B6、C12、D4切削過(guò)程中的刀-屑接觸面積與無(wú)織構(gòu)刀具T0進(jìn)行對(duì)比，圖11為4種刀具刀-屑接觸面積仿真結(jié)果。3種刀具的刀-屑接觸面積均比無(wú)織構(gòu)刀具小，半圓凸型微織構(gòu)刀具C12刀-屑接觸面積最小，半圓凹型微織構(gòu)刀具B6次之，梯型槽微織構(gòu)刀具D4最大?？梢哉J(rèn)為摩擦力大小與刀-屑接觸面積成正比，因此減小刀-屑接觸面積有利于提高微織構(gòu)刀具的減摩效果。

圖10 切屑形態(tài)

圖11 刀-屑接觸面積

Fig.11Knife-chip contact area

3 結(jié)論

通過(guò)創(chuàng)建不同微織構(gòu)類(lèi)型的刀具并進(jìn)行鈦合金切削仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論。

1）與無(wú)織構(gòu)刀具的切削仿真過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)半圓凹型微織構(gòu)和梯形槽微織構(gòu)刀具降低背向力效果較好，半圓凹型微織構(gòu)刀具最大背向力可降低14.0%，梯型槽微織構(gòu)刀具最大背向力可降低18.6%，當(dāng)半圓凸型微織構(gòu)刀具的微織構(gòu)直徑大于8 μm時(shí)，二次切削作用超過(guò)了微織構(gòu)降低背向力作用，使背向力超過(guò)了無(wú)織構(gòu)刀具。

2）微織構(gòu)刀具能夠有效降低切削溫度，降溫效果是由刀-屑接觸面積、能耗等多種因素共同影響，3種微織構(gòu)刀具散熱效果依次為：半圓凸型微織構(gòu)刀具＞梯型槽微織構(gòu)刀具＞半圓凹型微織構(gòu)刀具。

3）微織構(gòu)刀具的減摩效果與刀-屑接觸面積成正比，3種微織構(gòu)刀具均能減小摩擦力，半圓凸型微織構(gòu)刀具減摩效果最佳，刀具所受摩擦力可減小27.7%。

4）綜合切削力、切削溫度及減摩效果來(lái)看，當(dāng)半圓凸型微織構(gòu)的織構(gòu)直徑為4～8 μm時(shí)，其切削性能最佳。

[1] 楊超, 劉小君, 楊海東, 等. 表面織構(gòu)對(duì)刀具切削性能及前刀面摩擦特性的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(2): 228-235.

YANG Chao, LIU Xiao-jun, YANG Hai-dong, et al. Effect of the Textured Surface on the Cutting Performance of the Tool and the Friction Property for the Rake Face[J]. Tribology, 2015, 35(2): 228-235.

[2] 郝秀清, 宋曉路, 李亮. 表面織構(gòu)化刀具的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2016, 45(9): 170-181.

HAO Xiu-qing, SONG Xiao-lu, LI Liang. Development and Perspective of Surface Texturing Tools[J]. Surface technology, 2016, 45(9): 170-181.

[3] 唐聯(lián)耀, 唐玲艷, 李鵬南, 等. 微織構(gòu)刀具切削鈦合金的研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝, 2020, 50(4): 8-12.

TANG Lian-yao, TANG Ling-yan, LI Peng-nan, et al. Research Progress of Texture Tool in Titanium Alloy Cutting[J]. Aerospace Materials & Technology, 2020, 50(4): 8-12.

[4] YANG L J, DING Y, CHENG B, et al. Investigations on Femtosecond Laser Modified Micro-Textured Surface with Anti-Friction Property on Bearing Steel GCr15[J]. Applied Surface Science, 2018, 434: 831-842.

[5] LIU X, LIU Y, LI L, et al. Performances of Micro- Textured WC-10Ni3Al Cemented Carbides Cutting Tool in Turning of Ti6Al4V[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2019, 84: 104987.

[6] DEVARAJ S, MALKAPURAM R, SINGARAVEL B. Performance Analysis of Micro Textured Cutting Insert Design Parameters on Machining of Al-MMC in Turning Process[J]. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 2021, 4(2): 210-217.

[7] PRATAP A, PATRA K, DYAKONOV A A. On-Machine Texturing of PCD Micro-Tools for Dry Micro-Slot Grinding of BK7 Glass[J]. Precision Engineering, 2018, 55: 491-502.

[8] SANJIB K R, DEBA K S. Performance Parameters Studies in Machining of AISI D2 Steel with Dot-Textured, Groove-Textured & Non-Textured Cutting Tool at the Flank Face[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2019, 83: 104970.

[9] MA Jian-feng, DUONG N H, LEI Shu-ting. 3D Numerical Investigation of the Performance of Microgroove Textured Cutting Tool in Dry Machining of Ti-6Al-4V[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 79(5/6/7/8): 1313-1323.

[10] 王曉明, 曹同坤, 孫何, 等. 織構(gòu)分布對(duì)刀具切削性能影響的有限元分析[J]. 表面技術(shù), 2017, 46(9): 258-263.

WANG Xiao-ming, CAO Tong-kun, SUN He, et al. Finite Element Analysis of Texture Distribution on Tools Properties[J]. Surface Technology, 2017, 46(9): 258-263.

[11] ARULKIRUBAKARAN D, SENTHILKUMAR V, KU-M-AWAT V. Effect of Micro-Textured Tools on Machining of Ti-6Al-4V Alloy: an Experimental and Numerical App-roach[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2016, 54: 165-177.

[12] PANG K, WANG D Z. Study on the Performances of the Drilling Process of Nickel-Based Superalloy Inconel 718 with Differently Micro-Textured Drilling Tools[J]. Intern-ational Journal of Mechanical Sciences, 2020, 180: 105658.

[13] WU H B, ZHANG S J. 3D FEM Simulation of Milling Process for Titanium Alloy Ti6Al4V[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 71(5/6/7/8): 1319-1326.

[14] 劉東. TC4鈦合金切削中切屑塑性變形分析[J]. 宇航材料工藝, 2017, 44(4): 71-74.

LIU Dong. Analysis of Chip Plastic Deformation during Machining of Titanium Alloy TC4[J]. Aerospace Mater-ials & Technology, 2017, 44(4): 71-74.

[15] 王國(guó)榮, 廖代勝, 鐘林, 等. 溝槽形表面織構(gòu)對(duì)柱塞密封副摩擦性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2019, 48(12): 165- 173.

WANG Guo-rong, LIAO Dai-sheng, ZHONG Lin, et al. Effect of Groove-Like Surface Texture on Friction Perfor-mance of Plunger Seal Pair[J]. Surface Technology, 2019, 48(12): 165-173.

[16] 梁志強(qiáng), 李蒙招, 陳碧沖, 等. 基于微磨削方法的微織構(gòu)刀具制備與切削性能研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(2): 143-150.

LIANG Zhi-qiang, LI Meng-zhao, CHEN Bi-chong, et al. Fabrication and Cutting Performance of Micro-Textured Tools Based on Micro-Grinding[J]. Surface Technology, 2020, 49(2): 143-150.

[17] 張文泉, 馮益華, 田園, 等. 微織構(gòu)Al2O3-TiC陶瓷刀具切削性能仿真研究[J]. 工具技術(shù), 2017, 51(2): 25-30.

ZHANG Wen-quan, FENG Yi-hua, TIAN Yuan, et al. Simu-lation of Micro Texture Al2O3-TiC Ceramic Tool's Cutting Performance[J]. Tool Engineering, 2017, 51(2): 25-30.

[18] 徐明剛, 宋恩禹, 張海旭, 等. 具有溝槽微織構(gòu)的超硬材料刀具切削仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(2): 363-370.

XU Ming-gang, SONG En-yu, ZHANG Hai-xu, et al. Research on the Cutting Simulation and Experiment of Super-Hard Material Tool with Grooved Micro Texture[J]. Surface Technology, 2021, 50(2): 363-370.

[19] 張輝, 劉洋, 王偉, 等. 織構(gòu)化表面設(shè)計(jì)及其摩擦學(xué)應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2019, 55(17): 85-93.

ZHANG Hui, LIU Yang, WANG Wei, et al. Surface Texture Design and Its Tribological Application[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(17): 85-93.

[20] 張娜, 楊發(fā)展, 姜芙林. 刀具表面不同角度正弦型溝槽織構(gòu)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2019, 48(8): 83-89.

ZHANG Na, YANG Fa-zhan, JIANG Fu-lin. Numerical Simulation and Experiment on Sinusoidal Grooved Texture with Different Angles on Tool Surface[J]. Surface Technology, 2019, 48(8): 83-89.

[21] DUAN R, DENG J, LEI S T, et al. Effect of Derivative Cutting on Machining Performance of Micro Textured Tools[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2019, 45: 544-556.

[22] 蘇永生, 李亮, 王建彬, 等. 超硬織構(gòu)化刀具高速切削鈦合金試驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(2): 249-254.

SU Yong-sheng, LI Liang, WANG Jian-bin, et al. Super-Hard Textured Tools in High Speed Machining Test of Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2018, 47(2): 249-254.

[23] CHEN G，LU L P，KE Z H, et al. Influence of Const-itutive Models on Finite Element Simulation of Chip Formation in Orthogonal Cutting of Ti-6Al-4V Alloy[J]. Procedia Manufacturing, 2019, 33: 530-537.

[24] LIU G L, HUANG C Z, SU R, et al. 3D FEM Simulation of the Turning Process of Stainless Steel 17-4PH with Differently Texturized Cutting Tools[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2019, 155: 417-429.

[25] KIM D M, BAJPAI V, KIM B H, et al. Finite Element Modeling of Hard Turning Process via a Micro-Textured Tool[J]. The International Journal of Advanced Manufa-cturing Technology, 2015, 78(9/10/11/12): 1393-1405.

[26] 常秋英, 齊燁, 王斌, 等. 激光表面織構(gòu)對(duì)45鋼干摩擦性能的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 53(3): 148-154.

CHANG Qiu-ying, QI Ye, WANG Bin, et al. Tribological Influence of Laser Surface Textures on 45 Steel under Dry Sliding[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(3): 148-154.

Finite Element Analysis on Cutting Performance and Friction Reduction Effect of Micro-Texture Tools

1,1,2,1

(1. Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Hunan Linghang Kechuang Education Science & Technology Company, Xiangtan 411100, China)

The work aims to study the effects of three different types of micro-textures on cutting performance of titanium alloy (TC4). Based on the finite element analysis software, the semicircular concave micro-texture, semicircular convex micro-texture and trapezoidal groove micro-texture were designed on the rake face of cemented carbide tool. The effects of micro-texture tool on radial thrust force, cutting temperature and friction force were studied by changing the micro-texture parameters, such as diameter or width, micro-texture spacing and covering length. Under the best micro-texture parameters, the radial thrust force of the semicircular concave micro-texture tool, semicircular convex micro-texture tool, and trapezoidal groove micro-texture tool was respectively reduced by 14.0%, 13.9%, and 18.6%. However, when the diameter of convex micro-texture was larger than 8 μm, the radial thrust force was greater than that of non-textured tool. The cutting temperature of three micro-texture tools was respectively reduced by 5.9%, 10.7% and 9.6%. The friction force of the three micro-texture tools was respectively reduced by 23.0%, 27.7% and 21.9%. Reasonable surface texture can improve the cutting performance of the tool. Trapezoidal groove micro-texture tool has the best effect of reducing radial thrust force. The semicircular convex micro-texture tool has the best effect of reducing cutting temperature and friction. With the increase of micro-texture diameter and spacing, the cutting performance of tools decreases firstly and then increases. And there are optimal texture parameters. In the range of the tool-chip contact length, the longer the textured covering length, the better the antifriction capability of micro-texture tool.

micro-texture; finite element simulation; titanium alloy; radial thrust force; cutting temperature; frictional characteristics

TG71

A

1001-3660(2022)02-0338-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.034

2021-05-02；

2021-07-21

2021-05-02；

2021-07-21

湖南省自然科學(xué)基金（2020JJ5178）；湖南省教育廳科學(xué)研究資助（20A202，18A182）；湖南省電磁裝備設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（DC201901）

Supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (2020JJ5178); Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (20A202, 18A182); the Open Foundation of Hunan Key Laboratory of Design and Manufacture of Electromagnetic Equipment (DC201901)

劉偉（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡y加工材料高效精密智能磨削。

LIU Wei (1986—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: high efficiency, precision and intelligent grinding of difficult- to-cut materials.

劉偉, 劉順, 梁桂強(qiáng), 等. 微織構(gòu)刀具切削性能及減摩效果的仿真分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 338-346.

LIU Wei, LIU Shun, LIANG Gui-qiang, et al. Finite Element Analysis on Cutting Performance and Friction Reduction Effect of Micro-texture Tools[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 338-346.