劉昂馳，寧立偉，梁桂強(qiáng)，2，3，徐捷

1湖南工程學(xué)院；2大理大學(xué)工程學(xué)院；3北京領(lǐng)航科工教育科技有限公司；4清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院

1 引言

銑削加工是機(jī)械加工的主要加工方式之一，在制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，銑削可以分為順銑和逆銑。不同的銑削方式對(duì)工件的表面質(zhì)量以及刀具壽命有不同的影響，因此開(kāi)展順銑和逆銑對(duì)切削過(guò)程影響的仿真研究對(duì)于揭示切削機(jī)理以及選擇加工方式均有一定指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)順銑和逆銑進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，這些研究對(duì)銑削方式的評(píng)價(jià)以及機(jī)床和刀具的選擇有一定指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[1-3]研究了機(jī)床性能對(duì)順銑和逆銑的影響，為機(jī)床選擇提供理論依據(jù)，同時(shí)闡明了兩種銑削方式下的數(shù)控加工編程指令實(shí)現(xiàn)方法。侯亞娟等[4]闡述了順銑和逆銑的不同特點(diǎn)以及對(duì)刀具壽命的影響，分析了兩種銑削方式在普通銑床與數(shù)控銑床中的應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了典型銑削加工實(shí)例中順銑和逆銑方式的選擇原則。李玉煒等[5]通過(guò)幾何包絡(luò)數(shù)學(xué)方法，對(duì)立銑刀側(cè)銑平面和凸凹圓弧面過(guò)程中刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，計(jì)算出順銑和逆銑時(shí)不同的殘留高度，得到逆銑加工表面粗糙度優(yōu)于順銑的結(jié)論。陳名華等[6]、李傳奇[7]研究了順銑和逆銑兩種加工方式對(duì)硬化程度和硬化層深度的影響，結(jié)果表明，相比逆銑，順銑時(shí)工件表面顯微硬度和硬化層深度均較小，新刀比磨損刀具加工硬化更小。為了提高銑刀的切削效率和使用壽命，李傳紅等[8]使用DEFORM軟件對(duì)40CrNiMo合金鋼件在順銑和逆銑兩種銑削方式下的切削力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，順銑過(guò)程中的切削力小于逆銑。楊振朝等[9]針對(duì)雙向CFRP層合板采用整體硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，分別分析了順銑和逆銑兩種加工方式下銑削力與銑削速度、每齒進(jìn)給量和銑削寬度的關(guān)系。結(jié)果表明，順銑加工時(shí)，銑削力FY>FZ>FX，且沿刀具進(jìn)給方向最大；逆銑時(shí)，銑削力FX>FY>FZ，在垂直于刀具進(jìn)給方向時(shí)最大；銑削力隨著v，fz和ae的增大而增大，其中FZ的影響最為顯著。Schorník Václav等[10]以纖維增強(qiáng)塑料為加工對(duì)象，研究了順銑和逆銑過(guò)程中銑削速度對(duì)表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，在主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min且進(jìn)給速度為200mm/min時(shí)，順銑和逆銑能夠同時(shí)得到較好的表面質(zhì)量。Osan A.R.等[11]運(yùn)用角銑刀對(duì)方形工件以順銑和逆銑方式進(jìn)行了研究，同時(shí)以工件表面粗糙度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，角銑刀在復(fù)雜的加工表面上能夠代替球面銑刀和圓柱刃銑刀，順銑時(shí)，其工件表面質(zhì)量?jī)?yōu)于逆銑。

Jasra P.M.等[12]在不同銑削方式和冷卻策略下對(duì)Inconel 718高速端面銑削進(jìn)行了研究，同時(shí)以切屑形貌、表面粗糙度以及側(cè)刀面磨損為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，逆銑時(shí)會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則長(zhǎng)切屑，且大部分邊緣撕裂，順銑時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊緣尖銳的短切屑；在相同冷卻策略下，順銑產(chǎn)生的最大側(cè)刀面磨損量小于逆銑。袁美霞等[13]采用涂層硬質(zhì)合金微銑刀對(duì)6061鋁合金進(jìn)行逆銑和順銑單因素試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，逆銑時(shí)毛刺長(zhǎng)度普遍低于順銑，工件質(zhì)量明顯優(yōu)于順銑；隨著切削深度的增加，順銑和逆銑的毛刺均依次呈現(xiàn)長(zhǎng)條須狀、撕裂狀、波浪形鋸齒狀。Lefterov Evstati等[14]通過(guò)建立整體銑刀的三維模型對(duì)逆銑和順銑過(guò)程中切屑厚度的變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，兩種銑削方式下，切屑厚度均隨進(jìn)給速度和銑削深度的增大而增大，隨銑刀直徑的增大而減??；最大切屑厚度是在使用較小直徑的銑刀和大銑削深度時(shí)獲得的。Sinan Kesriklioglu等[15]通過(guò)對(duì)AISI 4130合金鋼進(jìn)行平面微細(xì)加工，探討了逆銑和順銑對(duì)切削溫度的影響。結(jié)果表明，逆銑時(shí)，刀-屑界面溫度逐漸升高，并在未切削的切屑厚度接近其最大值時(shí)達(dá)到峰值；順銑時(shí)，由于未變形的切屑從最大值開(kāi)始，所以在切削開(kāi)始時(shí)溫度顯著升高；逆銑和順銑的峰值溫度非常接近。

目前對(duì)于順銑和逆銑的研究主要采用試驗(yàn)方法，主要以工件表面質(zhì)量、切削力、刀具磨損、切屑形態(tài)和切削溫度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展。此外，在加工機(jī)床和冷卻液選取方面也有學(xué)者進(jìn)行了研究，但通過(guò)有限元仿真方法研究順銑和逆銑的差異并對(duì)仿真結(jié)果的場(chǎng)變量和歷史變量進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究成果尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。因此，本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)順銑和逆銑過(guò)程進(jìn)行有限元建模，通過(guò)輸出仿真過(guò)程中的切削力、摩擦力、工件應(yīng)力以及切削能量等變量對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，以揭示不同銑削方式下的加工機(jī)理提供理論支持。

2 建立有限元模型

2.1 建立刀具和工件模型

圖1和圖2分別為銑刀順銑和逆銑鈦合金工件的有限元模型。劃分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，工件網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D8R，正六面體單元；刀具網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D4，正四面體單元，自由劃分網(wǎng)格，刀-工模型總的網(wǎng)格數(shù)量為215344個(gè)。

圖1 順銑仿真有限元模型

圖2 逆銑仿真有限元模型

邊界條件為工件底部固定，銑刀定義為剛體，在銑刀軸線上創(chuàng)建一個(gè)參考點(diǎn)并在其上施加移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)載荷。具體工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，每齒進(jìn)給1.25mm/z，背吃刀量0.05mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.016mm/r。由摩擦實(shí)驗(yàn)和切削實(shí)驗(yàn)得出Ti6Al4V 與硬質(zhì)合金之間的摩擦系數(shù)μ為0.2～0.5，所以本模型中的刀-工摩擦系數(shù)取0.3。

刀具為三刃螺旋微細(xì)立銑刀，直徑0.05mm。具體參數(shù)如下：芯厚0.03mm，周刃前后角均為10°，底刃前角2°，底刃第一后角10°，底刃第二后角15°，螺旋角35°，余偏角3°。

2.2 本構(gòu)方程及材料參數(shù)

材料的本構(gòu)模型通常用來(lái)表示應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度四者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在切削過(guò)程中，工件材料的去除往往伴隨著大應(yīng)變、高應(yīng)變率以及高溫升等非線性工況。因此工件參數(shù)不僅需要輸入密度、比熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)系數(shù)等基礎(chǔ)參數(shù)，還需要賦予塑性和損傷參數(shù)。

本文采用Johnson-Cook塑性本構(gòu)模型，該模型綜合考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度對(duì)其流動(dòng)應(yīng)力的影響，其表達(dá)式如下

表1 Ti6Al4V鈦合金材料J-C塑性本構(gòu)參數(shù)

本文采用 Johnson-Cook 剪切失效準(zhǔn)則對(duì)損傷過(guò)程進(jìn)行表征，失效參數(shù)D定義為

εf可表示為

模型參數(shù)取值如表2所示。刀具和工件的物理參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 Ti6Al4V鈦合金材料J-C剪切失效參數(shù)

表3 刀具和工件材料物理性能參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 銑削方式對(duì)工件應(yīng)力的影響

圖3a為逆銑后已加工表面的Mises應(yīng)力云圖。在逆銑過(guò)程中，切削厚度從0逐漸增大，并且剛切入工件時(shí)刀齒會(huì)在已加工表面打滑，工件表面在擠壓和摩擦作用下會(huì)產(chǎn)生一定深度的硬化層，所以逆銑時(shí)已加工表面的應(yīng)力較大。圖3b為順銑后已加工表面的應(yīng)力圖。順銑過(guò)程中，切削厚度在剛切入時(shí)最大，隨后逐漸減小，因此避免了逆銑切入時(shí)的擠壓和刮擦現(xiàn)象，使得順銑加工后已加工表面的應(yīng)力相對(duì)較小。從圖4可以看出，逆銑時(shí)，隨機(jī)取點(diǎn)的最終應(yīng)力均處于600～1000MPa，且平均應(yīng)力為800MPa；順銑時(shí)，隨機(jī)取點(diǎn)的最終應(yīng)力大部分處于400～700MPa，平均應(yīng)力為650MPa。

(a) 逆銑

圖4 順銑和逆銑時(shí)隨機(jī)點(diǎn)應(yīng)力

3.2 銑削方式對(duì)切削力的影響

本文為側(cè)面銑削，在銑削過(guò)程中，銑刀底面大部分并未接觸工件，因此在Y軸上產(chǎn)生的切削分力并不能有效表征順銑和逆銑的特點(diǎn)，故僅研究X軸和Z軸的切削分力，即主切削力和徑向力。

由圖5a可以看出，在X軸方向上，順銑的切削力大于逆銑，順銑時(shí)在X軸上產(chǎn)生的平均切削力為0.1583N，逆銑時(shí)為0.0249N。順銑過(guò)程中，刀尖切入工件時(shí)在X軸上產(chǎn)生的垂直分力始終指向工件內(nèi)表面；逆銑過(guò)程中，刀尖切入工件時(shí)在X軸上產(chǎn)生垂直分力始終指向工件外表面。工件后表面被約束固定，而銑削區(qū)域未受到任何約束，因此順銑時(shí)工件會(huì)因固定約束而使得吃刀抗力增大。逆銑時(shí)，切削力也相對(duì)較大，切削力面向工件的銑削區(qū)域，因此銑刀受到的阻力相對(duì)小，所以順銑的切削力也會(huì)相對(duì)小。

由圖5b可以發(fā)現(xiàn)，在Z軸方向上，逆銑的切削力大于順銑，逆銑時(shí)在Z軸上產(chǎn)生的平均切削力為0.1473N，順銑為0.1243N。逆銑時(shí)，刀尖沿工件待加工表面刮擦，同時(shí)沿進(jìn)給方向切入工件，切屑沿工件的未加工區(qū)域排出。

(a)X軸切削力對(duì)比

如圖6所示，在切屑形成過(guò)程中，未切削區(qū)域會(huì)對(duì)銑刀產(chǎn)生吃刀抗力，因此逆銑時(shí)其進(jìn)給方向切削力相對(duì)較大；在順銑時(shí)，銑刀刀尖沿X軸方向垂直切入工件，在隨后的切削過(guò)程中，切屑沿工件的已加工區(qū)域排出(見(jiàn)圖7)，故在形成切屑過(guò)程中未加工區(qū)域?qū)Φ毒叩某缘犊沽ο鄬?duì)較小，順銑時(shí)進(jìn)給方向切削力也相對(duì)較小。

圖6 逆銑加工過(guò)程

圖7 順銑加工過(guò)程

3.3 銑削方式對(duì)摩擦力的影響

鈦合金在不同銑削方式下的摩擦力和接觸壓力如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，X軸方向上，順銑時(shí)摩擦力為0.0436N，逆銑時(shí)摩擦力為0.0057N，順銑的摩擦力遠(yuǎn)大于逆銑。摩擦力由法向接觸壓力和摩擦系數(shù)決定，而本文中的摩擦系數(shù)相同，所以摩擦力僅與法向接觸壓力有關(guān)。由于順銑時(shí)刀尖沿X軸方向垂直切入工件，故刀具切入工件后在X軸的法向接觸壓力相對(duì)大(見(jiàn)圖9中順銑的壓力曲線)，順銑的摩擦分力也相對(duì)大；逆銑時(shí)，刀尖沿進(jìn)給方向切入，即沿Z軸切入，所以在X軸的法向接觸壓力小(見(jiàn)圖9中逆銑的壓力曲線)，因此逆銑的摩擦分力較小。

圖8 順銑和逆銑時(shí)在X軸上的摩擦力對(duì)比

圖9 順銑和逆銑時(shí)在X軸法向上的接觸壓力對(duì)比

由圖10可以看出，Z軸上的逆銑摩擦分力大于順銑。順銑時(shí)，刀尖沿X軸方向切入工件后在Z軸的法向接觸壓力較小(見(jiàn)圖11中順銑壓力曲線)，因此順銑的摩擦分力相對(duì)??；逆銑時(shí)，刀尖沿進(jìn)給方向切入，即沿Z軸切入，所以在Z軸的法向接觸壓力大(見(jiàn)圖11中逆銑的壓力曲線)，因此逆銑的摩擦分力相對(duì)大。

圖10 順銑和逆銑時(shí)在Z軸上的摩擦力

圖11 順銑和逆銑時(shí)在Z軸法向上的接觸壓力

3.4 銑削方式對(duì)能量的影響

(1)銑削方式對(duì)動(dòng)能的影響

在銑削仿真過(guò)程中，刀具和工件的質(zhì)量不變，因此動(dòng)能的大小主要由切削速度和進(jìn)給速度的疊加作用確定。由圖12可以看出，逆銑的最終動(dòng)能為0.000916mJ，順銑的最終動(dòng)能為0.000457mJ，逆銑的動(dòng)能大于順銑。在銑削過(guò)程中，順銑和逆銑的切削速度和進(jìn)給量相同，因此工件的未切削部分和刀具產(chǎn)生的動(dòng)能基本相等，故不同銑削方式的動(dòng)能差異主要與切屑相關(guān)。

圖12 順銑和逆銑動(dòng)能對(duì)比

由于順銑和逆銑所產(chǎn)生的切屑大小相近(見(jiàn)圖13和圖14)，故動(dòng)能差異主要受切屑速度影響。考慮到切屑剛飛出時(shí)的速度和方向始終與銑刀線速度方向相同，而逆銑時(shí)的銑刀線速度和進(jìn)給速度方向相同，故切屑速度為二者之和；同理，順銑時(shí)切屑速度為銑刀的切削線速度和進(jìn)給速度之差，因此，逆銑時(shí)切屑飛出的速度大于順銑(見(jiàn)圖15)。在整個(gè)切削過(guò)程中，整體動(dòng)能主要由切屑動(dòng)能決定，逆銑時(shí)的切屑速度相對(duì)較大，整體的動(dòng)能也較大。

圖13 順銑切屑形態(tài)

圖14 逆銑切屑形態(tài)

圖15 順銑和逆銑過(guò)程中的切屑飛出速度對(duì)比

(2)順銑和逆銑對(duì)塑性能的影響

順銑和逆銑時(shí)的塑性能對(duì)比如圖16所示。逆銑時(shí)，銑削厚度從0開(kāi)始逐漸增大，刀齒開(kāi)始切入工件時(shí)，會(huì)在工件已加工表面上打滑并產(chǎn)生擠壓和摩擦，因此工件表面單元的塑性變形相對(duì)較大，塑性能也相對(duì)較大。順銑時(shí)，銑削厚度從最大開(kāi)始逐漸變小，刀齒開(kāi)始切入工件時(shí)，避免了逆銑切入時(shí)的擠壓和刮擦現(xiàn)象，因此工件表面單元的塑性變形小，從而塑性能也相對(duì)小。

圖16 順銑和逆銑過(guò)程中塑性能變形量對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行順銑和逆銑的仿真對(duì)比研究，并以切削力、摩擦力以及切削能量作為仿真的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)逆銑的應(yīng)力大于順銑，在本文模型和工藝參數(shù)下，逆銑的平均應(yīng)力為800MPa，順銑的平均應(yīng)力為650MPa。

(2)在順銑和逆銑過(guò)程中，X軸方向上的逆銑切削力大于順銑，順銑時(shí)的摩擦力大于逆銑；在Z軸方向上，順銑的切削力大于逆銑，逆銑的摩擦力大于順銑。

(3)從能量角度出發(fā)，逆銑所產(chǎn)生的塑性能以及動(dòng)能均大于順銑。