汪東明,單以才

(1.江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院,淮安 223003;2.南京曉莊學(xué)院電子工程學(xué)院,南京 211171)

0 引言

金屬切削加工過(guò)程中刀具始終為一損耗品,在加工過(guò)程中其會(huì)不斷被磨損,導(dǎo)致后期加工質(zhì)量變差,加工精度降低。不僅如此,還會(huì)對(duì)工件表面應(yīng)力的分布產(chǎn)生重要影響,進(jìn)而影響零件后期的疲勞壽命以及抗裂紋、抗腐蝕等多方面性能。目前對(duì)于該領(lǐng)域的研究有實(shí)驗(yàn)、仿真以及解析分析,其中實(shí)驗(yàn)分析和仿真分析是主要手段,而解析分析由于其較為復(fù)雜,且分析過(guò)程有諸多不確定性的因素,導(dǎo)致其目前的使用不是很廣泛。USCA等[1]綜合考慮了切削參數(shù)和刀具磨損,對(duì)Al/TiN涂層刀具銑削加工Cu-B-CrC進(jìn)行了研究,其主要考慮切削參數(shù)對(duì)于刀具磨損的影響以及隨之而來(lái)的切削溫度和粗糙度的變化;ZHAO等[2]主要分析了718鎳基合金干切削加工過(guò)程中TiAlN涂層刀具的磨損對(duì)于切削溫度的影響,其指出與無(wú)涂層刀具相比,刀具涂層的存在可以起到隔熱并延長(zhǎng)刀具使用壽命的效果;ZHANG等[3]提出了考慮刀具磨損的微銑削力模型,并基于6061鋁合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了相應(yīng)模型的可靠性;韓俊峰等[4]研究了刀具后刀面磨損對(duì)切削力、切削溫度、粗糙度及殘余應(yīng)力的影響規(guī)律,其只是單純的考慮后刀面磨損的影響,也未從本質(zhì)機(jī)理上對(duì)不同物理量的變化和其之間的內(nèi)在關(guān)系做相應(yīng)的分析說(shuō)明。

本文基于有限元工具對(duì)刀具不同磨損形式和磨損量條件下切削718鎳基合金過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)的仿真,同時(shí)對(duì)切削力、切削溫度以及表面殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行相應(yīng)的分析,從切削力和切削溫度的變化情況去考察切削表面殘余應(yīng)力的變化,揭露刀具磨損對(duì)切削結(jié)果的影響本質(zhì),為相應(yīng)的切削過(guò)程的優(yōu)化提供可靠的指導(dǎo)。

1 刀具磨損類(lèi)型

根據(jù)文獻(xiàn)[10],主要將磨損分為前刀面磨損、后刀面磨損、前后刀面和同時(shí)磨損4種形式。為了表示所有磨損類(lèi)型,采用相應(yīng)的形貌曲線(xiàn)進(jìn)行建模,如圖1所示。

(a) 未磨損刀具 (b) 刀尖圓磨損 (c) 前刀面磨損 (d) 后刀面磨損

為了簡(jiǎn)化模擬,將幾何圖形理想化和放大,以使結(jié)果分析更容易。其中刀具1為未磨損的新刀具,刃口鈍圓半徑為20 μm;刀具2為輕微磨損,主要是后刀面磨損,加上工件材料在切削刃上的粘著,改變了切削刃的微觀幾何狀態(tài);刀具3為特定的前刀面月牙洼磨損;刀具4為后刀面磨損。刀具的磨損決定著刀具壽命以及加工表面質(zhì)量等,本文分析不同刀具磨損情況下切削力和切削溫度以及加工表面殘余應(yīng)力的變化情況。本文所分析的刀具的磨損類(lèi)型主要有3種,分別為刀尖圓磨損,前刀面月牙洼磨損以及后刀面磨損,在正交模型中,相應(yīng)的刀具磨損模型分別如圖2a～圖2c所示。

(a) 刀尖圓磨損示意圖 (b) 前刀面月牙洼磨損示意圖 (c) 后刀面磨損示意圖

2 有限元建模

2.1 本構(gòu)模型

本文依然選用Johnson-Cook本構(gòu)模型[5],其目前依然是金屬切削仿真中廣泛使用的本構(gòu)模型,其表達(dá)式為:

(1)

表1 IN718鎳基合金的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

為提高仿真效率,將刀具設(shè)置成剛體,即忽略刀具應(yīng)力和應(yīng)變的變化,同時(shí)為了較為準(zhǔn)確分析工件表面內(nèi)應(yīng)力的分布,刀具的溫度及其與工件間的熱傳遞過(guò)程在仿真過(guò)程還是給予考慮和分析。

2.2 其他物理參數(shù)

工件和刀具其他物理性質(zhì)如表2所示[7]。

表2 IN718鎳基合金和所用刀具的物理參數(shù)

2.3 摩擦模型

本文采用修正后的包含粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)的庫(kù)倫摩擦模型[8],在滑動(dòng)區(qū)(μσ<τmax),相應(yīng)的摩擦為:

τ=μσ

(2)

而在粘結(jié)區(qū)(即μσ≥τmax),刀具和工件間摩擦可表達(dá)為:

τ=τmax

(3)

式中:μ為滑動(dòng)區(qū)摩擦系數(shù),τmax為工件材料屈服剪切應(yīng)力,其可表達(dá)為:

(4)

式中:σy為工件材料屈服正應(yīng)力。對(duì)于IN718鎳基合金的屈服剪切應(yīng)力,本文對(duì)其取值為320 MPa。

3 仿真結(jié)果分析

仿真過(guò)程采用正交切削模型,切削進(jìn)給量為0.12 mm,切削速度為150 m/min,相應(yīng)的正交切削過(guò)程仿真如圖3所示。

(a) 切削過(guò)程應(yīng)力分布結(jié)果 (b) 切削過(guò)程溫度分布結(jié)果

可以看出,在第一變形區(qū)材料的米塞斯應(yīng)力最大,在切屑與刀具前刀面的接觸區(qū)域,相應(yīng)的溫度最高,相應(yīng)的仿真結(jié)果較為符合常理。

3.1 切削力分析

(1)刀尖圓磨損的影響。切削力隨著刀尖圓半徑的增大而發(fā)生的變化如圖4所示。

(a) 切削方向的力 (b) 進(jìn)給方向的力

可以看出,隨著刀尖圓的磨損,即刀尖圓半徑變大,相應(yīng)的切削力也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。相應(yīng)的現(xiàn)象可以歸結(jié)為:當(dāng)?shù)都鈭A半徑增大后,會(huì)使得刀具變鈍,因此切削能力降低,從而導(dǎo)致切削力有增大的趨勢(shì)。不過(guò)從結(jié)果上看,進(jìn)給方向切削力增大的幅度更大一些,當(dāng)?shù)都鈭A半徑從0.1 mm增大到0.4 mm過(guò)程中,進(jìn)給方向的力增幅大概80 N左右,切削方向的力增幅大概40 N左右。

(2)后刀面磨損的影響。切削力隨著刀具后刀面磨損量的增大而發(fā)生的變化如圖5所示。

(a) 切削方向的力 (b) 進(jìn)給方向的力

可以看出,隨著刀具后刀面磨損量的增大,切削力同樣會(huì)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),相應(yīng)的現(xiàn)象可歸結(jié)為:當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p量時(shí),已加工表面與刀具后刀面會(huì)形成更大的接觸面積并產(chǎn)生更大的摩擦力,進(jìn)而表現(xiàn)為宏觀上切削力的增大。切削方向和進(jìn)給方向的力都有增大趨勢(shì),不過(guò)從圖上看,切削方向力的增量不是很明顯,而進(jìn)給方向的增量較為明顯。

(3)月牙洼磨損的影響。切削力隨著前刀面月牙洼磨損量的增大而發(fā)生的變化如圖6所示。

(a) 切削方向的力 (b) 進(jìn)給方向的力

可以看出,隨著前刀面月牙洼磨損量的增大,切削方向切削力的變化不是很明顯,而進(jìn)給方向切削力變化較為明顯,不僅如此,進(jìn)給方向切削力還出現(xiàn)了明顯的震動(dòng)現(xiàn)象。相應(yīng)的變化趨勢(shì)可以歸結(jié)為:當(dāng)前刀面月牙洼磨損量增大后,切屑流經(jīng)前刀面時(shí),會(huì)與前刀面產(chǎn)生不穩(wěn)定的接觸和摩擦,隨著月牙洼磨損進(jìn)一步增大,甚至?xí)a(chǎn)生切屑在月牙洼處的“二次切削”,最終對(duì)造成了切削力的增大和波動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 切削溫度分析

切削溫度也是切削過(guò)程中的一個(gè)重要的必須要考慮的因素。實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)紅外熱成像所能檢測(cè)的只是切削區(qū)域外部的最高溫度,無(wú)法表征切削區(qū)域溫度分布的細(xì)節(jié)以及工件內(nèi)部隨深度而變化的溫度分布情況。在本模型中,通過(guò)在已加工面添加多個(gè)深度方向路徑,并提取相應(yīng)路徑上的溫度值,并求取相應(yīng)的平均值,作為該條件下的溫度分布特征。

圖中多個(gè)豎直方向的紅色虛線(xiàn)即為在模型中所建立的路徑?；谏鲜龇椒?最終求出不同刀具磨損形式和磨損量下的深度方向上的溫度變化曲線(xiàn)如圖7所示。

(a) 不同刀尖圓磨損下的切削溫度分布 (b) 不同后刀面磨損下的切削溫度分布

可以看出,不管何種形式的刀具磨損,都會(huì)造成工件已加工表面溫度的升高,相應(yīng)的現(xiàn)象其實(shí)不難理解。當(dāng)?shù)都鈭A半徑增大后,刀具的切削能力降低,要切除相應(yīng)的工件的材料,切削區(qū)域的材料會(huì)發(fā)生更大的塑性變形才能使得切屑與工件發(fā)生分離,此時(shí)更多的塑性變形會(huì)產(chǎn)生更多的切削熱,最終導(dǎo)致已加工表面溫度升高;而當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p后,直接導(dǎo)致的現(xiàn)象就是刀具后刀面與已加工件表面的接觸面積更大,產(chǎn)生更多的摩擦,也會(huì)使得相應(yīng)的工件表面溫度升高;而前刀面月牙洼磨損的增大,表面看似乎與已加工面溫度關(guān)系不大,貌似其只對(duì)切屑和前刀面產(chǎn)生影響,其實(shí)不然,隨著月牙洼磨損增大,使得刀具溫度升高,進(jìn)而影響了零件已加工面與后刀面的接觸散熱,因此,月牙洼磨損雖然不直接影響工件已加工面溫度分布,但是其有著間接的作用和影響。

3.3 殘余應(yīng)力分析

已加工表面殘余應(yīng)力分布主要受前期的切削力和切削溫度的影響,不過(guò)材料的相變所引起的體積的變化也會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響,本文仿真過(guò)程并未考慮相應(yīng)的相變的影響,因?yàn)橄鄳?yīng)的溫度并未達(dá)到材料的相變點(diǎn)。相應(yīng)的殘余應(yīng)力提取方法與前面溫度提取方法一致,即通過(guò)在工件深度方向作多個(gè)路徑,并提取相應(yīng)路徑上的殘余應(yīng)力值,最后對(duì)其求平均,作為該條件下殘余應(yīng)力的分布特征。這里需要說(shuō)明的是,殘余應(yīng)力的性質(zhì)決定了其是有利還是有害的。一般情況下,殘余壓應(yīng)力是有利的,其可以增大工件的疲勞壽命以及抵抗裂紋的能力,而殘余拉應(yīng)力則會(huì)起到相反的作用。

(1)刀尖圓半徑的影響。最終得到不同刀尖圓半徑下工件表面殘余應(yīng)力分布如圖8所示。

(a) X方向的殘余應(yīng)力分布 (b) Z方向的殘余應(yīng)力分布

可以看出,基本的趨勢(shì)就是隨著刀尖圓半徑增大,殘余應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸惡化趨勢(shì)。根據(jù)前面的結(jié)果可知,當(dāng)?shù)都鈭A半徑增大時(shí),切削力和切削溫度都會(huì)呈現(xiàn)增大趨勢(shì),而切削力和切削溫度對(duì)于殘余應(yīng)力的影響趨勢(shì)是相反的[9],切削溫度的增大會(huì)使得表面材料產(chǎn)生更大的熱塑性變形,進(jìn)而惡化殘余應(yīng)力,而且切削力的增大使得表面材料產(chǎn)生更大的機(jī)械應(yīng)力塑性變形,可優(yōu)化殘余應(yīng)力。在刀尖圓半徑從0.1 mm增大到0.2 mm過(guò)程中,殘余應(yīng)力分布變化出現(xiàn)反?，F(xiàn)象,這主要是該過(guò)程切削力起到主導(dǎo)作用,而后期切削溫度起主導(dǎo)作用。

(2)后刀面磨損的影響。不同后刀面磨損下工件表面殘余應(yīng)力分布如圖9所示。

(a) X方向的殘余應(yīng)力分布 (b) Z方向的殘余應(yīng)力分布

可以看出,隨著后刀面磨損量增大,表面殘余應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸惡化的趨勢(shì),這主要還是歸結(jié)于后刀面與已加工表面產(chǎn)生更多的摩擦,使得表面溫度升高所導(dǎo)致。不過(guò)切削力的增大也是不容忽視的,同樣是后刀面磨損量從0.1 mm增大到0.2 mm的過(guò)程中,出現(xiàn)了相應(yīng)的反常現(xiàn)象,因?yàn)樵搮^(qū)域中,溫度的變化還不足以使得工件表面呈現(xiàn)更大的熱塑性變形,這時(shí)候切削力起主導(dǎo)作用,由于切削力的增大,使得殘余拉應(yīng)力降低或者殘余壓應(yīng)力增大。

(3)月牙洼磨損的影響。不同月牙洼磨損下的工件表面殘余應(yīng)力分布如圖10所示。

(a) X方向的殘余應(yīng)力分布 (b) Z方向的殘余應(yīng)力分布

可以看出,與另外兩種刀具磨損形式下的殘余應(yīng)力變化相比,這里的變化不是很明顯,主要是因?yàn)樵卵劳莸哪p的主要作用區(qū)域是前刀面與切屑的相互作用,而對(duì)于后刀面或者已加工表面的影響是間接的,且是次要的,根據(jù)前期切削力和表面溫度的變化曲線(xiàn)看,其相應(yīng)的變化是最不明顯的,因此,對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響也是最不明顯的。不過(guò)部分曲線(xiàn)在后面有突變部分,這主要是因?yàn)槟Ｐ偷牡撞渴峭耆潭ǖ?其跟模型底部材料產(chǎn)生相互作用,進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力突變。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于不同的刀具磨損下所引起的表面殘余應(yīng)力的變化,本文同時(shí)基于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析。刀具在不同的切削條件下引起的刀尖圓磨損、后刀面磨損以及月牙洼磨損,如圖11所示。

(a) 刀尖圓磨損 (b) 后刀面磨損 (c) 月牙洼磨損

基于不同磨損情況下的刀具對(duì)718鎳基合金進(jìn)行切削加工,并對(duì)加工后的工件的表面殘余應(yīng)力基于X射線(xiàn)應(yīng)力儀進(jìn)行相應(yīng)的分析,相應(yīng)的裝置如圖12所示。

(a) 車(chē)削實(shí)驗(yàn)過(guò)程 (b) X射線(xiàn)應(yīng)力儀

對(duì)相應(yīng)的加工件的表面殘余應(yīng)力通過(guò)X射線(xiàn)應(yīng)力儀結(jié)合腐蝕剝層進(jìn)行測(cè)試分析,最終得到結(jié)果如圖13～圖15所示。

(a) X方向的殘余應(yīng)力分布 (b) Z方向的殘余應(yīng)力分布

(a) X方向的殘余應(yīng)力分布 (b) Z方向的殘余應(yīng)力分布

(a) X方向的殘余應(yīng)力分布 (b) Z方向的殘余應(yīng)力分布

可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果雖然具體的數(shù)值上存在相應(yīng)的差別,但是在相應(yīng)的變化趨勢(shì)上,呈現(xiàn)了較好的一致性,說(shuō)明相應(yīng)的刀具磨損對(duì)于切削結(jié)果的影響是較為確定的。

5 結(jié)束語(yǔ)

原文基于Abaqus對(duì)于IN718鎳基合金在刀尖圓、后刀面以及月牙洼3種不同刀具磨損形式和磨損量條件下的正交切削過(guò)程進(jìn)行了仿真,并對(duì)切削力、切削溫度以及切削表面殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行了相應(yīng)的提取、比較和分析,同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)于相應(yīng)的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試,最終得出刀具磨損對(duì)切削過(guò)程不同物理量的影響趨勢(shì),最終得到結(jié)論如下:

(1)任何一種形式的刀具磨損都會(huì)導(dǎo)致切削力的增大和切削溫度的升高,不過(guò)刀尖圓磨損的影響最為明顯,后刀面磨損次之,前刀面月牙洼磨損的影響最小。

(2)切削力和切削溫度對(duì)于殘余應(yīng)力分布的影響趨勢(shì)相反,隨著切削溫度的升高,殘余應(yīng)力呈現(xiàn)惡化趨勢(shì),而隨著切削力的增大,殘余應(yīng)力呈現(xiàn)優(yōu)化趨勢(shì)。

(3)總體而言,隨著刀具磨損量的增大,工件表面殘余應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)逐漸惡化趨勢(shì),但是偶爾也會(huì)出現(xiàn)反常,這主要?dú)w結(jié)于前期切削溫度的升高不足以使得零件表面的熱塑性變形增大,導(dǎo)致此時(shí)切削力占主導(dǎo)作用,而后期當(dāng)切削溫度繼續(xù)升高后,使得零件表面產(chǎn)生了相應(yīng)的熱塑性變形,此時(shí),切削溫度占主導(dǎo)作用。