于曉琳，呂誠凱，黃樹濤，許立福，張玉璞，趙萍

1沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院；2遼寧省交通高等專科學(xué)校機電工程系

1 引言

高強度鋼具有硬度高、強度大等優(yōu)點，被大量應(yīng)用在國防軍工和航天航空等領(lǐng)域，這種材料的加工難度大，在進行切削加工時，會出現(xiàn)切削力過大和刀具磨損嚴(yán)重等問題[1-3]，因此對高強度鋼進行合理高效地加工成為工業(yè)生產(chǎn)中的難題。在現(xiàn)實加工生產(chǎn)中，切削用量是影響加工生產(chǎn)效率的重要因素之一，不僅會影響材料去除量，還會影響刀具壽命、切削力和切削溫度等，許多學(xué)者針對如何選擇合適的切削用量都做了大量的研究。

采用傳統(tǒng)的試切法選擇切削用量，容易造成加工刀具損壞和工件材料浪費。隨著計算機圖形處理技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元仿真模擬技術(shù)逐漸成為了探究試驗的常用手段，大量學(xué)者將其應(yīng)用到了金屬切削研究中。滕文博等[4]通過DEFORM-3D軟件建立Inconel高溫合金的EHM模型，得出刀具磨損量會隨切削用量的增加而增大，工件初始溫度升高則會降低刀具磨損深度的結(jié)論。盧佳鶴[5]用DEFORM-3D軟件建立了硬質(zhì)合金涂層刀具插銑加工0Cr13Ni4Mo不銹鋼的有限元模型，研究了不同切削參數(shù)下切削力、切削溫度以及刀具磨損的變化規(guī)律。王宇等[6]結(jié)合DEFORM-2D和DEFORM-3D軟件分析了插銑刀加工0Cr13Ni4Mo不銹鋼時切削速度對刀具磨損的影響。程格[7]利用DEFORM-3D軟件研究了加工Cr12MoV模具鋼時不同種類刀具以及切削用量對切削溫度和刀具磨損的影響。張富君[8]編寫子程序?qū)BAQUS軟件進行了二次開發(fā)，建立了可以預(yù)測刀具后刀面磨損深度的刀具磨損仿真系統(tǒng)。張佳奕[9]使用ABAQUS軟件模擬不同磨損程度的PCBN刀具銑削高強度鋼的過程，得到刀具磨損對切削過程的影響規(guī)律。I.Bencheikh等[10]提出了結(jié)合XFEM和Levelset技術(shù)的多步建模方法，可以很好地識別涂層刀具和工件的接觸參數(shù)以及刀具后刀面磨損。A.Attanasio等[11]對DEFORM軟件進行了二次開發(fā)，對液氮和常規(guī)冷卻液下鉆削加工Inconel718合金時的刀具磨損進行了研究。Mohammad Lotfi等[12]提出了一種考慮刀具間隙角的修正Usui磨損率模型預(yù)測刀具磨損和刀具表面的熱分布情況。M.Binder等[13]通過使用不同涂層的硬質(zhì)合金刀具仿真模擬車削AISI1045的過程，得出切削溫度以及刀具磨損的影響。Thanongsak Thepsonthi等[14]使用有限元仿真模擬了CBN涂層銑刀在切削加工Ti6Al4V鈦合金時的切削力、切削溫度、接觸壓力、滑動速度以及刀具磨損率，證明CBN涂層刀具磨損速率更適合干切削Ti6Al4V鈦合金。綜上所述，針對難加工材料，國內(nèi)外學(xué)者對刀具磨損的有限元仿真主要集中在不銹鋼、高溫合金等材料上，對加工高強度鋼的刀具磨損仿真研究較少，尤其是后者在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中扮演了更為關(guān)鍵的角色，其加工刀具磨損仿真研究顯得更為重要。

本文應(yīng)用DEFORM-3D軟件并采用單因素試驗法，在不同銑削用量下對AF1410高強度鋼的銑削過程進行有限元仿真，通過對比仿真試驗結(jié)果得出改變銑削用量對刀具磨損的影響規(guī)律，為提高工業(yè)生產(chǎn)效率和提升工件加工質(zhì)量提供參數(shù)依據(jù)。

2 建立銑削有限元模型

2.1 建立刀具模型

仿真刀片模型見圖1，刀片前角設(shè)為4°，后角11°，主偏角和副偏角分別為90°和0°，刀尖圓角半徑設(shè)為1mm，使用UG軟件對刀片進行建模，為簡化計算，截取刀尖周圍部位進行仿真分析。刀具設(shè)為剛體，材料為WC硬質(zhì)合金，刀具材料具體特性見表1。

(a)刀片完整模型

表1 刀具材料物理參數(shù)[15]

2.2 建立工件模型

AF1410高強度鋼的材料特性見表2。

表2 工件材料物理參數(shù)[16]

由于銑削仿真的時間和路徑較短，因此仿真加工過程可視為連續(xù)加工，設(shè)置銑削直徑為20mm，工件總長為刀具模型走過60°弧度時的切削長度，并已考慮每齒進給量，最后生成工件作為加工對象，并將工件設(shè)為塑性體(見圖2)，圖中曲面為銑削刀片走過的軌跡。

圖2 AF1410高強度鋼工件模型

由于高強度鋼自身的材料性質(zhì)，在加工過程中產(chǎn)生的切削力和高溫會使高強度鋼產(chǎn)生彈塑性應(yīng)變?？紤]到大應(yīng)變、高應(yīng)變率以及高溫環(huán)境對高強度鋼硬化能力的影響，在選擇本構(gòu)模型時選擇Johnson-Cook本構(gòu)方程模型，即

式中，σ為材料的升溫屈服應(yīng)力；A，B，C，m和n都是材料的相關(guān)系數(shù)，分別為金屬材料的屈服應(yīng)力、應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變率靈敏度、熱軟化系數(shù)以及加工硬化指數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε0為應(yīng)變率；T為變形時的溫度；T0為加工初始溫度；Tmelt為金屬材料熔點。

AF1410高強度鋼的本構(gòu)方程模型參數(shù)見表3。

表3 AF1410高強度鋼的本構(gòu)方程模型參數(shù)[17]

2.3 建立刀具摩擦模型

仿真采用的摩擦模型為Usui模型，公式為

式中，p為刀具表面所受壓力；V為工件的相對滑移速度；α和β是特征常數(shù)，α=1×10-6，β=855[18]；dt是時間增量。

2.4 刀具和工件的網(wǎng)格劃分

基于DEFORM軟件的ALE自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對工件和刀具進行網(wǎng)格劃分，將刀具的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)為35000，工件的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)為10610，并用0.1的尺寸比對刀具的刀尖部位進行網(wǎng)格細(xì)化，最后的劃分結(jié)果見圖3。

圖3 工件和刀片網(wǎng)格劃分

3 單因素試驗仿真分析

3.1 單因素試驗設(shè)計

為了更好地觀察切削用量對刀具磨損的影響，通過設(shè)計單因素試驗進行同一種切削用量下不同水平的對比，從而得出不同的切削用量對刀具磨損的影響規(guī)律，將軸向切深ap、切削速度v和每齒進給量fz作為仿真試驗因素，設(shè)置數(shù)值見表4，具體仿真方案及仿真結(jié)果見表5。

表4 單因素試驗表

表5 單因素試驗仿真結(jié)果

3.2 刀具磨損形貌分析

圖4為切削速度v=100m/min，軸向切深ap=1.5mm，每齒進給量fz=0.1mm/z時加工不同階段的刀具前刀面磨損深度仿真結(jié)果。

圖4a中，刀具剛剛與工件表層接觸，在刀具切入工件時，由于刀具施加的外力擠壓作用，網(wǎng)格發(fā)生變形，當(dāng)變形達到一定程度時隨即失效，并成為切屑從工件表面被移除，刀具前刀面出現(xiàn)較淺的凹坑。圖4b中，刀具磨損深度增加，AF1410高強度鋼屬于高韌性材料，加工時產(chǎn)生的切屑不易被切斷，切屑不斷與刀具前刀面發(fā)生摩擦，使刀具前刀面的磨損區(qū)域開始擴大，刀尖與工件的接觸面都產(chǎn)生一定的磨損，但初期發(fā)生的磨損程度較輕，磨損深度較均勻。圖4c中，切屑沖擊的部分，磨損程度逐步加劇，開始形成了月牙洼磨損的雛形。圖4d中，刀具磨損開始朝著切削刃的方向延伸，磨損中心區(qū)域開始擴大，磨損程度也在不斷加劇，月牙洼磨損面積逐步擴大。圖4e中，刀具磨損程度仍在增加，而磨損中心隨著區(qū)域面積的增加而發(fā)生偏移，向切削刃方向接近。圖4f即銑削加工結(jié)束階段，刀具從工件處切出，刀具磨損達到最大值。由圖可見，在該組銑削參數(shù)下，刀具磨損深度最大值可達0.00917mm。此時的刀具前刀面磨損中心處出現(xiàn)的月牙洼磨損現(xiàn)象非常明顯，這是由于當(dāng)切屑在前刀面高速流過時會發(fā)生磨料磨損、黏結(jié)磨損、擴散磨損和氧化磨損，在各種磨損的共同作用下，刀具與工件接觸處出現(xiàn)較大的凹坑，即月牙洼磨損，而月牙洼磨損程度加深則會嚴(yán)重影響刀具壽命。

(a)120步(0.536ms)

由圖分析可知，該刀具在無涂層以及冷卻潤滑條件下，加工AF1410高強度鋼時，前刀面在加工初期容易受到高溫和高壓的影響發(fā)生磨損，隨著加工過程的推進，切屑與刀具緊密接觸處劇烈摩擦，使刀具磨損程度逐漸加深，而月牙洼磨損面積逐步擴大并向切削刃移動擴散。

3.3 切削用量影響刀具磨損分析

取每齒進給量fz=0.1mm/z，切削速度v=100m/min，當(dāng)軸向切深ap=0.70mm，0.90mm，1.10mm，1.30mm，1.50mm時，最大刀具磨損深度仿真結(jié)果見圖5。由圖可見，當(dāng)軸向切深ap增大時，刀具磨損深度呈上升趨勢，這是由于當(dāng)軸向切深增大時，工件與刀片間的接觸面積增大，單位時間內(nèi)切除的材料體積增加，前刀面受到的正壓力也隨之增加，前刀面磨損程度加劇，并且銑削加工時產(chǎn)生的切屑與刀具前刀面之間的緊密接觸會發(fā)生擠壓摩擦，并產(chǎn)生大量的切削熱，這些切削熱無法及時散發(fā)或被切屑帶走而積聚在刀尖刃口處，導(dǎo)致該部位溫度急劇升高，加快刀具磨損速度。

圖5 不同軸向切深對前刀面磨損深度的影響

取軸向切深ap=1.50mm，每齒進給量fz=0.1mm/z，當(dāng)切削速度v=50m/min，100m/min，150m/min，200m/min，250m/min時，最大刀具磨損深度仿真結(jié)果見圖6。由圖可知，當(dāng)切削速度v增大時，刀具磨損程度也在增加，原因是刀具與工件表面之間的接觸頻率隨著切削速度的增大而增加，工件中的硬質(zhì)顆粒不斷劃擦刀具，加劇刀具磨損。此外，刀片前刀面與工件接觸面間的摩擦頻率增大，銑削AF1410高強度鋼產(chǎn)生的帶狀切屑與前刀面的摩擦頻率也隨之增大，瞬時產(chǎn)生的大量切削熱無法被帶走，便積聚在刀尖切削刃處，使該處溫度急劇升高，導(dǎo)致刀具材料軟化，加快刀具磨損。

圖6 切削速度前刀面磨損深度的影響

取軸向切深ap=1.50mm，切削速度v=100m/min，當(dāng)每齒進給量fz=0.06mm/z，0.08mm/z，0.10mm/z，0.12mm/z，0.14mm/z時，最大刀具磨損深度仿真結(jié)果見圖7。由圖可知，刀具磨損深度隨著每齒進給量fz的增大而增加，這是因為每齒進給量增大導(dǎo)致切削厚度增加，使銑削產(chǎn)生的切屑平均變形減小，但是刀片和工件的接觸面積擴大以及刀片與切屑之間的擠壓加重，會引起切削力以及切削溫度上升，最終導(dǎo)致刀具磨損加劇。

圖7 每齒進給量對前刀面磨損深度的影響

3.4 前刀面溫度場分布特點及對刀具磨損形貌的影響

圖8是切削用量為v=100m/min，ap=1.5mm，fz=0.10mm/z時的銑削溫度云圖。通過對比圖8和圖4f可以看出，溫度云圖中銑削溫度的高低分布區(qū)域與刀具磨損分布大體相同，刀具磨損程度嚴(yán)重的區(qū)域也是銑削溫度最高的區(qū)域，這是因為刀片不僅受到工件的擠壓作用力，并且與工件、切屑劇烈摩擦，這些都會產(chǎn)生大量的切削熱，而這些切削熱未能及時擴散，導(dǎo)致高溫區(qū)主要集中在切屑與前刀面的局部接觸區(qū)域。

圖8 銑削溫度云圖

如圖9所示，將圖4f中不同刀具磨損程度的區(qū)域分別取點，進行切削溫度的點追蹤，點追蹤結(jié)果見圖10。

圖9 取點示意圖

圖10 銑削溫度折線變化

在銑削加工的開始階段，刀具溫度迅速升高，這是因為刀尖切入工件后，工件的切削層材料迅速發(fā)生剪切滑移塑性變形，在切屑形成后，刀具與切屑之間的劇烈摩擦產(chǎn)生了大量的切削熱，使切削溫度迅速升高。隨后的銑削溫度曲線并未保持穩(wěn)定，而是隨著銑削時間的增加而上升，且對比三種刀具磨損量的切削溫度曲線可以看出，刀具磨損程度越劇烈，切削溫度越高，說明刀具磨損量增加也會導(dǎo)致銑削溫度的升高。

當(dāng)?shù)毒吣p后，刀具與工件-切屑的接觸面積增大，摩擦產(chǎn)生的熱量也增加，使得切削區(qū)域積攢的熱量越來越多，最后切削溫度越來越高，在切削時間為0.00334s時達到最高，隨后刀具切出工件，溫度開始下降。

4 結(jié)語

基于DEFORM-3D仿真軟件，通過單因素試驗法研究銑削AF1410高強度鋼時切削用量對刀具磨損程度的影響，得到以下結(jié)論。

(1)在銑削加工AF1410高強度鋼時，刀具前刀面出現(xiàn)明顯的月牙洼磨損，且隨著加工時間推進，月牙洼磨損深度增加，磨損中心向切削刃方向偏移。

(2)提高切削速度v、每齒進給量fz和軸向切深ap這三種切削用量中的任意一個都會導(dǎo)致刀具磨損量的增加。

(3)銑削加工后，刀具溫度分布與刀具磨損程度分布大致相同，且切削溫度會隨著刀具磨損量的增加而升高。