基于Advantedge仿真的具有表面功能結(jié)構(gòu)的刀具設(shè)計(jì)*

楊文愷，陳永潔，李 寧（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

基于Advantedge仿真的具有表面功能結(jié)構(gòu)的刀具設(shè)計(jì)*

楊文愷，陳永潔，李 寧
（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

表面功能結(jié)構(gòu)又稱表面微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)在改善材料加工性能方面，如表面摩擦性能和表面承載能力等，得到了廣泛的認(rèn)可,改善了刀具性能。通過設(shè)計(jì)帶有微結(jié)構(gòu)的刀具，用于改善鈦合金的切削加工過程中刀具的磨損狀況，延長刀具的使用壽命。并且在設(shè)計(jì)的過程中借助先進(jìn)的有限元仿真軟件Third wave AdvantEdge FEM進(jìn)行仿真模擬。通過軟件仿真替代大量的試切，避免試切過程中材料的浪費(fèi)，更重要的是，可以在實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前對(duì)刀具的設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

鈦合金切削；微結(jié)構(gòu)；有限元仿真

0 引言

在鈦合金的切削加工[1]過程中，刀屑接觸區(qū)域的劇烈摩擦?xí)?dǎo)致溫度不斷升高，刀具磨損加劇[2]，刀具表面質(zhì)量的下降又將導(dǎo)致刀具切削加工性能降低，這也成為限制鈦合金切削加工速度，影響切削加工性能的主要原因之一[3]。所以為了延長刀具的使用壽命，減輕刀具的磨損，一個(gè)實(shí)際有效的方法就是改善刀具和工件間的摩擦[4]狀況。由于表面微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)在改善材料加工性能方面，如表面摩擦性能和表面承載能力等，得到了廣泛的認(rèn)可[5]改善了刀具性能。

Third wave AdvantEdge FEM[6]是一個(gè)基于材料物性的有限元金屬切削仿真軟件。通過軟件仿真替代大量的試切，避免試切過程中材料的浪費(fèi)，也節(jié)省了時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)、加工周期。更重要的是軟件仿真為實(shí)際加工提供理論依據(jù)，避免傳統(tǒng)加工中單方面憑借經(jīng)驗(yàn)而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)不可復(fù)制性。

表面功能結(jié)構(gòu)[7]就是一種按照一定的規(guī)則分布的，有一定功能的，可以確定描述的，有高度特征的表面圖案。在國內(nèi)外，關(guān)于微織構(gòu)對(duì)刀具加工性能影響的研究仍然處于起步階段，很多研究者都參與其中。日本中央研究所的Noritaka Ka?wasegi等人[8]通過使用微溝槽深度和寬度尺寸范圍在幾百納米到幾十微米之間的刀具對(duì)工件進(jìn)行加工發(fā)現(xiàn)，改變微溝槽形狀尺寸可以改變刀具的加工性能。美國的Shuting Lei等人[9]利用有限元分析技術(shù)，對(duì)硬質(zhì)合金刀具的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，其所設(shè)計(jì)刀具的特別之處在于其表面無涂層，并且使用飛秒激光器加工出了微坑織構(gòu)。國內(nèi)的王震、李亮等人發(fā)現(xiàn)在低速高載和高速中載情況下，微坑織構(gòu)對(duì)硬質(zhì)合金材料的減摩效果較好[10]。以上國內(nèi)外大量的研究表明了微織構(gòu)的良好性質(zhì)，并且讓表面微織構(gòu)技術(shù)可以在各種工程應(yīng)用的減摩增效領(lǐng)域中發(fā)揮更加巨大的作用。

本文基于此思路設(shè)計(jì)帶有微結(jié)構(gòu)的刀具以改善鈦合金切削性能，并借助于AdvantEdge FEM軟件模擬仿真輔助設(shè)計(jì)和驗(yàn)證帶微結(jié)構(gòu)的鈦合金切削刀具。

1 表面功能結(jié)構(gòu)和相關(guān)刀具設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了三組帶有亞微米級(jí)別溝槽的微結(jié)構(gòu)刀具，如圖1。溝槽均垂直于切削刃方向，具體參數(shù)如表1所示。以期望帶有微結(jié)構(gòu)的刀具可以減小主切削力的大小，改善刀具的耐磨性能。

圖1 刀具設(shè)計(jì)圖

表1 微結(jié)構(gòu)刀具參數(shù)

2 刀具的Advantedge切削模擬仿真

在實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)前，使用Advantedge軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的刀具進(jìn)行3d切削仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M，獲得模擬數(shù)據(jù)，以評(píng)價(jià)微結(jié)構(gòu)刀具的整體性能、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。模擬仿真中與使用同類硬質(zhì)合金材料建模的沒有微結(jié)構(gòu)的光刀片進(jìn)行對(duì)比，比較兩者主切削力的大小。仿真環(huán)境如下，工件材料為Ti-6Al-4V，刀具材料為硬質(zhì)合金，設(shè)定切削長度為3 mm，切削環(huán)境為干切削，仿真設(shè)計(jì)如表2。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

經(jīng)過長時(shí)間的3d模擬，得到的刀具仿真結(jié)果如表3，并作出仿真結(jié)果對(duì)比即圖2。

表3 設(shè)計(jì)刀具的Advantedge仿真結(jié)果 N

圖2 設(shè)計(jì)刀具的仿真結(jié)果主切削力對(duì)比圖

圖2中x坐標(biāo)為進(jìn)給量（單位mm/r），y坐標(biāo)為主切削力（單位N)。

仿真結(jié)果分析：從圖1的仿真結(jié)果對(duì)比可以看出溝槽深度為0.05 mm的C02、C03刀具在進(jìn)給量為0.1、0.2和0.4的時(shí)候所受到的主切削力都比相應(yīng)的光刀片要小，具有一定的優(yōu)勢；溝槽深度為0.03 mm的C01刀片則在0.2，0.3，0.4進(jìn)給條件下主切削力都大于光刀片，顯示出溝槽深度可能對(duì)于主切削力的影響。

3 刀具的切削實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行了新設(shè)計(jì)刀片的強(qiáng)度校核后，對(duì)三組微織構(gòu)刀片進(jìn)行鈦合金的干式外圓連續(xù)切削，探究微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的不同對(duì)加工性能有何不同影響。在本次試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4，測力儀和電荷放大器分別選用Kistler 9257A和Kistler 5070A，進(jìn)行鈦合金切削實(shí)驗(yàn)的車床型號(hào)為CW6163E，刀具型號(hào)為YG類硬質(zhì)合金刀具。實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體設(shè)置如圖3所示。

表4 實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行后，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理，求取每次切削力的平均值作為參考實(shí)際的主切削力，然后與Advantedge模擬仿真得到的值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)對(duì)比如表5，并作出實(shí)際結(jié)果對(duì)比即圖4。

表5 切削實(shí)驗(yàn)和仿真模擬數(shù)據(jù)對(duì)比 N

圖4 微結(jié)構(gòu)刀具實(shí)際切削性能對(duì)比圖

（1）對(duì)Advantedge仿真精確度的評(píng)價(jià)。通過與實(shí)際的切削實(shí)驗(yàn)得到的主切削力和經(jīng)由Advant?edge的仿真主切削力做對(duì)比可知，除了個(gè)別仿真數(shù)據(jù)相差大于外5%（主要集中在0.4 mm的大進(jìn)給條件下，可見在大進(jìn)給條件下仿真會(huì)部分失效），其他仿真值與實(shí)際所測得的數(shù)值相差均在3%以內(nèi)，可見使用Advantedge仿真切削的模擬精度很高。另外大多數(shù)刀片的仿真結(jié)果與實(shí)際刀片的切削值進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)使用Advantedge軟件進(jìn)行仿真模擬所獲得的主切削力比實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)獲得的主切削力的值要大（大部分相差度為2%～4%）。這一現(xiàn)象可以由有限元仿真方法本身的原理來解釋，有限元法的主要思想就是將計(jì)算區(qū)域劃分為大量的剛性節(jié)點(diǎn)和單元來進(jìn)行計(jì)算。由于每一個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)都是剛性的，實(shí)際計(jì)算過程中就相當(dāng)于把彈性的物體當(dāng)作剛性單元的集合來近視處理了，有限元仿真劃分的節(jié)點(diǎn)越多就越接近于真實(shí)，但仍會(huì)體現(xiàn)出微小的剛性，即有限元法處理后，物體變剛變硬了，體現(xiàn)在Advant?edge仿真模擬中就是主切削力變大了[12]。故會(huì)出現(xiàn)仿真值一般稍微大于實(shí)測值的結(jié)果。綜上以上所述，可以看到Advantedge仿真切削還是具有很高的精度，并且能夠得到具有參考價(jià)值的信息。

圖4中x坐標(biāo)為進(jìn)給量（單位mm/r），y坐標(biāo)為主切削力（單位N)。

（2）對(duì)所設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)刀具的性能評(píng)價(jià)。C01、C02、C03的溝槽寬度分別為0.1 mm，0.2 mm和0.3 mm；C01溝槽深度0.03 mm，C02，C03溝槽深度均為0.05 mm。C01、C02、C03雖然溝槽的寬度不一樣，分別為0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm，由于溝槽都是等距分布的，實(shí)際但在背吃刀量一樣的時(shí)候，三組刀具有溝槽部分與沒有溝槽部分的面積比為1∶1（除去刀具邊緣部分少量影響）從圖2可見，在干切削的條件下，溝槽深度為0.05 mm的C02，C03兩組刀片的表現(xiàn)均優(yōu)于相同材質(zhì)的光刀片，并且與仿真結(jié)果一致，而溝槽深度為0.03的C01則無論在哪一種進(jìn)給量的條件下都劣于光刀片。進(jìn)一步只觀察C02，C03刀具的性能表現(xiàn)，C02，C03的溝槽深度一致均為0.05 mm，溝槽面積比也一致為1∶1，而只有溝槽寬度不一致。在這種條件下C02、C03的性能表現(xiàn)相差不大，甚至是完全相同的表現(xiàn)，可以得出在溝槽深度相同，溝槽面積比一樣的情況下，溝槽寬度對(duì)切削的性能影響不大。再觀察C01、C02和C03三組結(jié)果，雖然溝槽寬度不一致，但是溝槽面積比相同，最終導(dǎo)致在相同條件下C01性能均比C02，C03差，可知這時(shí)候微結(jié)構(gòu)中溝槽的深度的影響了刀具的主切削力。在相同的溝槽面積比下，刀具的主切削力受溝槽寬度影響較小，此時(shí)調(diào)整合適的溝槽深度可以降低主切削力的大小，如果深度不合適反而會(huì)增加主切削力。

5 結(jié)語

本文使用Third wave Advantedge FEM有限元仿真軟件對(duì)具有表面功能結(jié)構(gòu)的刀具進(jìn)行了仿真，得到了設(shè)計(jì)刀具主切削力的仿真值。并且進(jìn)行了實(shí)際刀具主切削力值的測試。結(jié)果表明仿真值和實(shí)際值很接近，顯示出Advantedge FEM有限元仿真的精確性，并總結(jié)了此類表面功能結(jié)構(gòu)刀具的一些特性。

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The Design of Surface Functional Structure Tool Based on Advantedge Simulation

YANG Wen-kai，CHEN Yong-jie，LI Ning
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China）

Surface functional structure，which has been widely used in optimize the material processing performance like surface friction properties and surface bearing capacity，has been widely recognized and really improves the performance of tool.In this paper，one kind of surface functional structure tool aimed at reducing the wear condition and expanding tool's life in titanium cutting processing has been designed.The advanced finite element simulation software—Third wave AdvantEdge FEM has been used to simulate the cutting process in the design period.With the help of finite element simulation software，a lot of material can be saved，moreover it can anticipate the performance of designed tool before doing cutting experiment which can also save much time.

titanium cutting；surface functional structure；finite element simulation

TG71

A

1009－9492(2014)05－0014－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.003

楊文愷，男，1989年生，湖北武漢人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：金屬切削與刀具技術(shù)。

(編輯：阮 毅)

*國家科技重大專項(xiàng)（編號(hào)：2012ZX04003-021）

2013－11－14