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硬质合金微槽车刀切削过程切削力和切削温度研究
来源:中国数控机床网   发表时间:2018/12/9 14:57:00  浏览次数:
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金属切削过程是被加工工件和刀具相互作用的过程,其目的是为了将多余的材料从工件上以切屑的形态脱离出去。在这个过程中切削刀具必然会受到切削力和切削温度的作用,并对刀具的破损、耐用度及被加工工件的精度等产生直接影响。

国内外对切削过程中的切削力和切削温度做了大量研究。李彬等基于刀具和工件的材料特性、切屑变形模型、氧化试验和摩擦磨损试验获得的相关数据,采用更新拉格朗日算法和局部网格重划分技术,建立了更符合实际情况的切削有限元模型。研究结果表明,模拟结果与试验数据基本吻合,特别在高切削速度下吻合性更好。谢晋等采用微磨削技术在前刀面加工出微沟槽,通过升温试验得出平行微沟槽结构车刀能够更大幅度地降低刀尖切削温度。宋文龙等用红外测温仪测试了3种刀具切削温度的变化规律,结果表明润滑膜可降低前刀面剪切应力且减少刀—屑接触面积,使得切削温度显著降低。李飞等建立了钝圆刃口和倒棱刃口作用下的正交切削力模型,利用有限元方法研究了硬质合金刀具不同刃口作用下的切削力大小及切削温度场分布。潘永智等应用全因子试验设计和多元线性回归技术建立了切削力预测模型。研究结果表明,在较大的金属去除率下选择最佳的切削用量组合可获得最小切削力。谭光宇等建立了刀具表面受热密度函数和确定了相应的边界条件,并对刀具温度场进行有限元分析,从而可确定刀具的优劣。覃康才等通过DEFORM-3D软件对有无减摩槽的两种刀片进行了切削加工过程的模拟仿真,分析了减摩槽对切削力和切削温度的影响。唐德文等介绍了国内外高速切削过程数值仿真技术的研究进展,阐述了高速切削过程数值仿真的关键技术,包括温度场和热力耦合作用,切屑与刀具的接触和摩擦以及网格控制技术等。Shu S.等提出一种切削过程中切削温度的新型测量方法,同时基于集中参数法建立了热分析模型。试验结果表明,理论分析和数值模拟结果能够很好地吻合。Sulaiman S.E.A.S.等采用有限元分析方法研究了刀具前角、切削速度和进给量对加工Ti6AlV4切削温度的影响。结果表明,增大前角可降低切削温度,而提高切削速度和进给量则会增加切削温度。Sugita N.等提出一种集成在刀具前刀面上的微型温度传感器,从采集的多点切削温度值对该传感器的测温性能进行了评估。Courbon C.等用TiN涂层硬质合金刀具切削45钢进行正交试验,建立了基于任意拉格朗日欧拉算法的有限元模型,并得到平均切削力和切削温度的分布情况。结果表明,平均切削力基本没受到接触热阻影响,刀具前刀面的温度分布以及刀—屑接触界面温度的连续性都明显受到切削过程振幅的影响。Li K.等建立了在近干冷却条件下切削区的温度分布模型,采用热源法来分别估算刀具与切屑和工件接触面的切削温度。试验结果表明,模型预测结果与试验测量结果在合理范围内是吻合的。

以上研究主要集中在对切削力、切削温度进行试验检测、仿真分析的方法和手段,但对采用自主研发刀具与原车刀切削40CrMnMo的切削力和切削温度进行的对比分析较少。

本文基于前期自主研究的硬质合金微槽车刀,通过切削试验平台和切削仿真平台,重点对比分析硬质合金微槽车刀和原车刀在切削过程中的切削力和切削温度,从而获得微槽对切削力和切削温度的改进效果,并揭示微槽的置入对切削力、切削热的影响规律。本文的研究结论可为该硬质合金微槽车刀的后期研究提供理论支撑,同时也为其他类似的切削性能对比研究提供有效参考。

1 切削力对比试验与结果分析

采用硬质合金微槽车刀和原车刀,在相同切削条件下进行两个切削过程,并对两个切削过程的切削力进行对比分析。在CW6163C车床上进行试验,并加装Kistler三向测力系统,搭建的试验平台如图1所示。切削力对比试验在如下相同的切削条件下进行:vc=115m/min,f=0.42mm/r,ap=2mm,40CrMnMo工件尺寸为Φ100×200mm。

图1 切削力对比试验现场

试验中,采用两种车刀对切削性能完全相同的两块40CrMnMo石油管材切削相同时间,重复采集数据三次,并取其算术平均值作为该次试验值。经过切削力采集和数据处理得到图2所示试验结果。

图2 三向切削力检测结果

由图2可知:微槽车刀切削合力略大于原车刀;两车刀三个分力大小趋势一致,即主切削力最大,切深抗力次之,进给抗力最小;两车刀之间三个分力的差异情况不同,微槽车刀的主切削力较原车刀降低了约5.1%,微槽车刀的进给抗力较原车刀增加了37.5%,微槽车刀的切深抗力较原车刀增加了2.1%。

在相同切削条件下,硬质合金微槽车刀由于微槽的存在破坏了原有刀—屑热力学平衡,建立起如下新的刀—屑接触状态:刀—屑分离点沿微槽内壁向远离主切削刃的方向移动,随着切削过程的不断进行,当分离点移动到前刀面上某处时,刀—屑接触状态再次形成新的平衡。

基于金属切削理论,结合切削试验实际情况,微坑车刀切削过程刀—屑力学模型合力作用线较原车刀发生了以作用线中心为轴心的逆时针转动,即相比较原车刀摩擦角β减小。由于两车刀均在完全相同的切削条件下进行切削试验,因而此处假设前刀面所受法向正压力不变。

由金属切削过程刀—屑作用力学关系可知,刀—屑间作用合力、主切削力、切深抗力以及剪切面上切向力相应减小。由此可见,主切削力的变化情况,其理论分析与切削试验结果相吻合。理论上,微槽车刀的切深抗力较原车刀应减小,而切削试验结果却有微小增加(增长幅度为2.1%),该差异可能由切削系统的不稳定性造成。

2 切削温度对比试验与结果分析

在实际切削加工中,刀具前刀面常常由于被切屑遮挡,或者切削系统刚度不足引起振动等因素,导致切削过程中采集的温度数据存在较大误差。因而本文主要通过切削仿真平台对两车刀切削温度进行对比研究。

仿真切削用量与切削试验一致,切削速度为115m/min,进给量为0.42mm/r,切深为2mm。采用修正的拉格朗日算法和局部网格重划分技术对切削过程进行有限元仿真,并重点关注切削过程中刀具的温度场和受力情况。在仿真模拟过程中,作出如下假设:①刀—屑接触区的摩擦系数为恒定值;②刀—屑交界面与外界环境进行均匀换热;③工件固定,刀片围绕工件轴心做旋转运动。

刀具工作角度如表1所示。工件选择有限元仿真平台中对应的材料AISI4140,刀具材料为P20,其性能参数对比如表2所示。其余有限元仿真相关设置如表3所示。图3为建立的车刀有限元模型。

表1 刀具工作角度(°)

表2 刀具及工件材料性能参数

表3 有限元仿真条件设置

(a)原车刀 (b)微槽车刀

图3 车刀有限元模型

经过DEFORM-3D求解器求解,获得如图4所示切削温度结果。

(a)原车刀 (b)微槽车刀

(c)原车刀 (d)微槽车刀

(e)原车刀 (f)微槽车刀

图4 车刀切削温度分布

由图4可知,在相同切削仿真条件下,原车刀最高切削温度为737℃,而微槽车刀最高切削温度为535℃,微槽车刀降温幅度达27.41%。

由图4c和图4d所示车刀温度场局部放大图可知:原车刀前刀面温度场分布比较规律,由多个形状相似且几乎闭合的等温面由中心向四周温度从高往低堆叠而成;微槽车刀由于微槽置入,所带来的最直观变化是扩宽了沿刀—屑接触长度方向温度分布范围,使得原本高温区域变成了中低温区域,而新的高温区域向切削刃和刀尖方向移动。

由图4e和图4f相对平稳段的中间切削温度数据可求出两车刀平均最高切削温度。原车刀平均最高切削温度为714.4℃,微槽车刀平均最高切削温度为490.0℃,降幅达31.41%。从图4e和图4f可知:原车刀的最高切削温度波动相对较小,但在退刀前的最后五分之一处出现较明显波动;微槽车刀的最高切削温度波动相对原车刀要明显些,但退刀前总体温度曲线相对平稳。由此可知,微槽的置入增大了切削温度分布曲线的局部波动性,同时也提高了整体平稳性。

小结

(1)在相同的切削条件下,硬质合金微槽车刀由于微槽的存在破坏了原有刀—屑热力学平衡,建立起新的刀—屑接触状态。微槽车刀切削过程的刀—屑力学模型的合力作用线较原车刀发生了以作用线中心为轴心的逆时针转动,相比较原车刀其摩擦角β减小,因而主切削力Fz变化情况的理论分析与切削试验结果相吻合,其降幅约为5.1%。

(2)微槽置入带来最直观的切削温度变化是扩宽了沿刀—屑接触长度方向温度分布范围,使得原本高温区域变成了中低温区域,而新的高温区域向切削刃和刀尖方向移动。相较原车刀,微槽车刀的最高切削温度降幅达27.41%。微槽的置入可增大切削温度分布曲线的局部波动性,同时也提高了整体平稳性。

 

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