張芳，張勇

1淄博職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)上的重要零部件，轉(zhuǎn)子的損壞通常源于轉(zhuǎn)子輪槽的磨損失效或開(kāi)裂。因此如何提高轉(zhuǎn)子輪槽的加工精度、保證表面質(zhì)量及提升使用壽命是行業(yè)急需解決的問(wèn)題[1]。轉(zhuǎn)子輪槽加工刀具切削性能直接影響輪槽的加工質(zhì)量、加工成品以及加工效率。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子普遍采用低合金高強(qiáng)度鋼，具有強(qiáng)度高、塑性大、導(dǎo)熱性能低等特點(diǎn)，加工區(qū)域的切削溫度較高，并且轉(zhuǎn)子輪槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，切削過(guò)程中切屑難以排出，殘留的切屑與刀具接觸會(huì)加劇刀具磨損，影響切削精度，降低輪槽的加工質(zhì)量，因此轉(zhuǎn)子加工對(duì)刀具的要求極高。而涂層技術(shù)的出現(xiàn)可以有效提高刀具的切削性能，降低工件的摩擦和磨損，提升轉(zhuǎn)子輪槽的表面質(zhì)量、耐磨性和刀具的使用壽命[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)刀具涂層、刀具壽命、刀具切削性能方面做了很多的研究，張而耕等[3]研究了TiAlN/TiN涂層厚度、涂層層數(shù)以及涂層結(jié)構(gòu)對(duì)刀具磨損的影響，通過(guò)Deform軟件建立有限元模型，動(dòng)態(tài)模擬了切削45鋼的過(guò)程，分析了不同涂層刀具的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、主切削力與磨損情況的分布變化規(guī)律。王力等[4]為了改善鈦合金的切削性能和提高切削刀具的使用壽命，采用Deform軟件對(duì)鈦合金的切削過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬仿真，從而優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)及涂層參數(shù)。于國(guó)紅等[5]為了解決汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽加工過(guò)程中確定各工藝參數(shù)的問(wèn)題，通過(guò)Deform軟件建立了輪槽銑削模型，對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，分析不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，從而優(yōu)化了工藝參數(shù)。沈浩等[6]采用有限元技術(shù)對(duì)PCBN刀具斷續(xù)車削Cr12MoV材料進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)切削過(guò)程中的切削力、切削溫度以及刀具磨損的情況進(jìn)行了分析，以此預(yù)測(cè)零件的工藝效果及評(píng)估刀具的使用壽命。

本文基于Deform-3D有限元軟件模擬了未涂層刀具與不同膜厚的TiN-TiCN交替涂層刀具在相同切削條件下切削力與切削溫度的變化情況，研究了涂層對(duì)刀具切削性能的影響，有效評(píng)估了刀具的可靠性，并結(jié)合正交試驗(yàn)法，以切削過(guò)程中刀具的磨損量為優(yōu)化目標(biāo)，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，有效提高了刀具的使用壽命。

2 基于Deform軟件建立有限元模型

2.1 建立材料模型及確定參數(shù)

工件在切削加工過(guò)程中，同時(shí)存在著塑性變形及彈性變形。轉(zhuǎn)子輪槽在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，處于高溫、高應(yīng)變率的彈塑性變形過(guò)程。因此為了使仿真過(guò)程更貼近實(shí)際，更具可信性，需建立一個(gè)在高應(yīng)變率下快速響應(yīng)材料性能變化的模型[7]。在彈性變形階段，影響變形的材料特性參數(shù)主要是彈性模量與泊松比。隨著切削進(jìn)入塑性變形階段直至切屑產(chǎn)生過(guò)程，可以建立流動(dòng)應(yīng)力模型，以研究上述因素對(duì)材料特性的影響。選擇Johnson-Cook流動(dòng)應(yīng)力模型顯示材料的力學(xué)行為，此模型能夠很好地表達(dá)出在高應(yīng)變率、高溫下材料的變形過(guò)程，與轉(zhuǎn)子輪槽的實(shí)際切削狀態(tài)吻合。具體方程為

(1)

T*=(T環(huán)境-T參考)/(T熔點(diǎn)-T參考)

(2)

轉(zhuǎn)子使用26NiCrMoV145合金鋼制造，主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。該材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，塑性大，導(dǎo)熱性能低，切削時(shí)工件與刀具接觸部分溫度極高，對(duì)加工的刀具要求高。刀具選用M42(W2Mo9Cr4VCo8)銑刀，由于銑刀材料不具備良好的耐高溫和耐磨性，壽命短，成本較高，因此采用TiN-TiCN復(fù)合涂層以提高刀具使用壽命。

表1 材料力學(xué)性能

2.2 建立有限元模型

轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，加工過(guò)程復(fù)雜多變，影響成型質(zhì)量的因素多。切削時(shí)刀具與工件和切屑之間存在摩擦，造成刀具表面溫度急劇上升，需考慮刀具的磨損。因此本文在保證模擬精度的情況下，為了降低數(shù)值分析的時(shí)間，對(duì)刀具和工件結(jié)構(gòu)做適當(dāng)簡(jiǎn)化建模[8]。將整個(gè)輪槽銑刀簡(jiǎn)化為局部的單齒結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)子輪槽的加工過(guò)程則簡(jiǎn)化為典型的平面銑削過(guò)程，最終建立單齒平面銑削CAE模型(見(jiàn)圖1)?；贒eform分析軟件，選擇工件為彈塑性體，網(wǎng)格劃分為20000個(gè)，并將刀具需要加工的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化分，以提高模擬精度。本試驗(yàn)對(duì)未經(jīng)涂層處理的刀具與經(jīng)過(guò)不同厚度鍍層處理的TiN-TiCN交替復(fù)合涂層刀具加工轉(zhuǎn)子的過(guò)程進(jìn)行仿真，刀具基體、涂層材料及涂層單邊厚度如表2所示。

圖1 有限元模型

表2 刀具基體、涂層材料及涂層單邊厚度

2.3 建立刀具單齒銑削磨損模型

刀具失效形式主要有刀具折斷、磨損等，而刀具磨損最為普遍，磨損快慢直接決定刀具壽命的長(zhǎng)短。刀具切削過(guò)程是連續(xù)不間斷的，因此采用Usui模型建模，其表達(dá)式為

(3)

式中，w磨損為刀具磨損量(mm)；p為表面接觸壓力(Pa)；V為滑動(dòng)速度(mm/s)；T為接觸溫度(℃)；dt為時(shí)間增量(s)；a，b為實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)系數(shù)，通常取a為0.0000001，b為1000。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同膜厚涂層對(duì)切削力的影響

刀具在切削加工過(guò)程中，由于應(yīng)力集中，切削力在某一恒定值附近震蕩，圖2為不同膜厚涂層刀具切削力變化曲線。

(a)無(wú)涂層

由圖可得，無(wú)涂層刀具切削力在1860～4470N之間波動(dòng)，涂層刀具切削力波動(dòng)情況明顯優(yōu)于無(wú)涂層刀具。由于涂層刀具摩擦系數(shù)較小，在切削過(guò)程中所受摩擦力較小，造成的磨損較小，切削過(guò)程穩(wěn)定，刀具切削力相對(duì)穩(wěn)定；無(wú)涂層刀具在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的加工之后磨損嚴(yán)重，而殘留的切屑會(huì)導(dǎo)致摩擦加劇，切削力波動(dòng)較大，不僅影響零件加工質(zhì)量，甚至造成刀具斷裂。由圖可得4μm涂層刀具切削效果最佳，相較于8μm涂層更為穩(wěn)定，切削力穩(wěn)定在1060～2620N之間。

3.2 不同膜厚涂層對(duì)切削溫度的影響

材料熱導(dǎo)性能低，切削時(shí)散熱慢，容易在切削區(qū)域形成高溫，加快刀具刃口磨損速度[9]。圖3為不同膜厚涂層刀具切削溫度變化曲線。從圖中可以看出，前期無(wú)涂層刀具的切削溫度明顯高于涂層刀具的溫度，而后期無(wú)涂層刀具溫度與涂層刀具溫度較為接近。主要因?yàn)榍捌跓o(wú)涂層刀具摩擦系數(shù)高，溫度上升較快，而后期由于TiN-TiCN交替涂層相比于刀具基體有較低的熱導(dǎo)系數(shù)，散熱較慢，使得涂層刀具溫度上升較快。切削前期，4μm涂層刀具的切削溫度低于8μm涂層刀具；而切削后期，4μm涂層刀具的溫度高于8μm涂層刀具。由于4μm涂層刀具摩擦系數(shù)較低，切削速度較快，產(chǎn)生的切屑帶走了部分熱量，因此溫度較8μm涂層刀具低。隨著切削的進(jìn)行，刀具表面涂層厚度受到磨損，刀具與工件及切屑之間的摩擦加劇，使得切削速度降低，切屑帶走熱量的速度下降，因此4μm涂層刀具溫度高于8μm厚涂層刀具。

圖3 不同膜厚涂層刀具溫度變化曲線

3.3 不同工藝參數(shù)對(duì)涂層刀具磨損的影響

涂層刀具在切削過(guò)程中的磨損受到很多因素的影響，例如切削用量、刀具的幾何特征、工件材料的選取以及切削液的選擇等。本文重點(diǎn)討論不同的切削用量在切削過(guò)程中對(duì)涂層刀具磨損的影響規(guī)律，故選擇切削速度v，切削深度h以及進(jìn)給量f作為正交試驗(yàn)的三個(gè)重要因素，分別選取3個(gè)不同的因素水平，建立如表3所示的正交試驗(yàn)表。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

(1)正交試驗(yàn)結(jié)果

將上述正交試驗(yàn)方案通過(guò)Deform軟件分別進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得的涂層刀具磨損量見(jiàn)表4。以刀具磨損量為優(yōu)化目標(biāo)，分析上述結(jié)果，以獲得最佳切削參數(shù)。

表4 仿真磨損結(jié)果

(2)磨損量極差分析

基于正交試驗(yàn)的極差分析能夠直觀地判斷在切削過(guò)程中各因素對(duì)刀具磨損量的影響程度，極差數(shù)值越大，說(shuō)明該因素對(duì)刀具磨損的影響越大[10]，極差分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)?zāi)p量極差分析

由表可知，在切削過(guò)程中，切削要素對(duì)目標(biāo)結(jié)果的影響程度由大到小依次為進(jìn)給量、切削深度、切削速度。對(duì)各試驗(yàn)?zāi)p量做均值處理，均值越小，磨損量越小。當(dāng)切削速度為300m/min時(shí)，涂層刀具完成一次切削的磨損量最小，僅為3.7133×10-5mm；切削速度取700m/min時(shí)，涂層刀具完成一次切削的磨損量最大，達(dá)到4.1633×10-5mm；同理，進(jìn)給量為0.2mm/r時(shí)，涂層刀具完成一次切削的磨損量最小，僅為3.2300×10-5mm；而進(jìn)給量為0.6mm/r時(shí)，涂層刀具完成一次切削的磨損量最大，達(dá)到4.7167×10-5mm；切削深度取0.45mm時(shí)，涂層刀具完成一次切削的磨損量最小，僅為3.5967×10-5mm，而切削深度為0.30mm時(shí)，涂層刀具完成一次切削的磨損量最大，達(dá)到4.2700×10-5mm。

綜上分析可知，當(dāng)?shù)毒叩膸缀翁卣?、工件材料選取以及切削液選擇等因素相同的情況下，切削速度為300m/min，進(jìn)給量為0.2mm/r，切削深度為0.45mm是涂層刀具切削26NiCrMov145合金鋼材料的最優(yōu)切削用量。

(3)最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證及刀具壽命預(yù)測(cè)

由于最優(yōu)參數(shù)不在表4中，為驗(yàn)證其正確性，以最優(yōu)參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入Deform軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍繉拥毒叩哪p量為1.45×10-5mm，而表4中刀具磨損量最小為2.83×10-5mm，刀具磨損量明顯改善，因此該仿真結(jié)果合理。假設(shè)涂層刀具磨損達(dá)到0.1mm時(shí)判定為失效，由圖可知，涂層刀具完成一次切削的磨損量為1.45×10-5mm，則刀具將在完成6896次切削后失效。

圖4 最優(yōu)參數(shù)刀具磨損結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

利用Deform-3D有限元軟件對(duì)26NiCrMoV145材料切削過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，并在相同切削條件下研究了未經(jīng)涂層處理刀具與經(jīng)不同鍍層厚度處理的TiN-TiCN交替復(fù)合涂層刀具在切削過(guò)程中的切削力與切削溫度變化情況。結(jié)合正交試驗(yàn)法，以刀具磨損量為優(yōu)化目標(biāo)，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。

結(jié)果表明，經(jīng)涂層處理的刀具切削效果更佳，具有較低的摩擦系數(shù)，其中4μm涂層刀具在減小切削力方面表現(xiàn)更為明顯；經(jīng)涂層處理的刀具在切削溫度方面同樣表現(xiàn)更優(yōu)；切削前期，4μm涂層刀具的切削溫度低于8μm涂層刀具；而切削后期，4μm涂層刀具的溫度高于8μm涂層刀具。涂層刀具的切削最優(yōu)參數(shù)組合為切削速度300m/min，進(jìn)給量0.2mm/r，切削深度0.45mm。因此將有限元技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子涂層刀具切削試驗(yàn)研究切實(shí)可行，可以直觀了解涂層刀具的優(yōu)勢(shì)，并獲得刀具的最佳切削參數(shù)，有效降低制造成本。