鉆頭微織構(gòu)參數(shù)對(duì)切削力的影響研究

葛豐榕,于占江,李兆祥,張瀚文,李一全

1長(zhǎng)春理工大學(xué)跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;3機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司

1 引言

鈦合金具有良好的機(jī)械性能和耐蝕性能,被廣泛應(yīng)用于船舶、醫(yī)療和航天航空等領(lǐng)域,然而鈦合金工藝性能較差,導(dǎo)致在加工鈦合金零件時(shí)存在切削溫度高、制造成本高和切削力大等問題,嚴(yán)重影響刀具使用壽命以及加工效率[1]。

目前大多采用超聲輔助加工、激光輔助加工、優(yōu)化切削加工參數(shù)和刀具表面微織構(gòu)化[2,3]等方法提高鈦合金的可加工性,從而降低鈦合金加工過程中的切削力。刀具表面微織構(gòu)化技術(shù)是一項(xiàng)非常有潛力的刀具改性技術(shù),目前已有大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在刀具表面制備微織構(gòu)能夠降低刀具切削力[4]、改善刀—屑界面的接觸狀態(tài)[5,6]和延長(zhǎng)刀具壽命[7,8]。同時(shí),很多學(xué)者通過有限元仿真研究了刀具在切削過程中的切削溫度、刀具磨損和切削力等[9,10]。郭大林[11]通過DEFORM軟件進(jìn)行織構(gòu)麻花鉆鉆削仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,后刀面微槽麻花鉆在降低切削力和切削溫度等方面均有良好表現(xiàn)。鄧大松等[12]利用DEFORM軟件研究微槽織構(gòu)參數(shù)對(duì)織構(gòu)麻花鉆的鉆削性能影響和作用機(jī)理。

在一定織構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi),刀具表面微織構(gòu)技術(shù)能夠有效改善刀具的切削性能,降低加工過程中的切削力。表面織構(gòu)對(duì)刀具表面的影響依賴于織構(gòu)幾何形狀和尺寸,如織構(gòu)方向、織構(gòu)圖案、尺寸和織構(gòu)位置[13],不合理的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)刀具磨損[14]、切屑附著力[15]、切削力[16]等產(chǎn)生不利影響。目前大多數(shù)研究集中于較大尺度下的織構(gòu)參數(shù)[17],對(duì)于微小尺度表面微織構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合以及織構(gòu)參數(shù)的主次影響因素仍需要研究和探討。

本文在麻花鉆后刀面的磨損區(qū)域設(shè)計(jì)微槽織構(gòu),采用ABAQUS仿真軟件進(jìn)行鉆削仿真試驗(yàn),設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案研究后刀面微槽織構(gòu)參數(shù)對(duì)鉆削鈦合金切削力的影響,通過極差和方差分析織構(gòu)參數(shù)的主次影響因素,從而尋找最優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)組合。

2 建立仿真模型

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

如圖1所示,利用Pro/E軟件建立直徑為1mm的后刀面微槽織構(gòu)麻花鉆,具體參數(shù)見表1。為減小仿真運(yùn)算量,僅對(duì)織構(gòu)麻花鉆的鉆削部分進(jìn)行仿真分析,以便更快速準(zhǔn)確地得到仿真結(jié)果,并將麻花鉆模型導(dǎo)入ABAQUS仿真軟件中。

表1 麻花鉆模型參數(shù)

圖1 后刀面微槽織構(gòu)麻花鉆

建立邊長(zhǎng)為2mm、厚度為0.5mm的正方形工件,為了使仿真結(jié)果更加精準(zhǔn),劃分工件以及刀具切削區(qū)域的網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行局部加密,使工件的邊緣單元長(zhǎng)度為0.1mm,厚度為0.02mm,中央單元長(zhǎng)度為0.03mm的六面體減縮積分,工件的單元數(shù)量為61050。刀具切削區(qū)域的單元長(zhǎng)度為0.04mm,其他區(qū)域單元長(zhǎng)度為0.08mm的線性四面體單元,工件與麻花鉆的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

2.2 材料屬性與邊界條件

鈦合金工件(Ti-6Al-4V)和YG8刀具的基本物理屬性分別見表2和表3[18]。在仿真過程中四邊固定約束工件底部,將麻花鉆設(shè)為剛體,并在X軸與Y軸兩個(gè)方向?qū)β榛ㄣ@進(jìn)行約束,將其數(shù)值輸入為0,設(shè)定麻花鉆沿著Z軸的正方向進(jìn)給,由麻花鉆的進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速分別確定Uz值和URz值,設(shè)定麻花鉆的轉(zhuǎn)速n=800r/min,進(jìn)給量f=0.1mm/r。

表2 常溫下工件材料Ti-6Al-4V的主要物理及機(jī)械性能

表3 常溫下刀具材料YG8的主要物理及機(jī)械性能

2.3 材料本構(gòu)模型與分離模型

一般情況下,Johnson-Cook材料本構(gòu)模型能夠較好地反映金屬材料在大變形和較高溫度下的失效過程和強(qiáng)度極限,方程簡(jiǎn)單并能反映各因素在加工中對(duì)材料的影響,J-C材料模型為[19]

模型參數(shù)如表4所示。

表4 Ti-6Al-4V的修正Johnson-Cook材料模型常數(shù)

網(wǎng)格單元在積分點(diǎn)處的應(yīng)變值對(duì)材料的斷裂失效具有一定的影響,材料的斷裂參數(shù)ω為[20]

ω=∑(Δε/εf)

式中,Δε為材料的等效塑性應(yīng)變?cè)隽?εf為材料的失效應(yīng)變。

當(dāng)網(wǎng)格單元在積分點(diǎn)處的斷裂參數(shù)>1時(shí),該處網(wǎng)格單元失效并被刪除,切屑與工件將產(chǎn)生分離,失效應(yīng)變的計(jì)算式為[20]

式中,d1～d5為材料的損失參數(shù),數(shù)值如表5所示。

表5 Ti-6Al-4V的J-C模型中d1～d5參數(shù)值

3 仿真試驗(yàn)方案

為研究織構(gòu)單因素對(duì)切削力的影響,在眾多因素中選取微槽間距、離刃距離、微槽長(zhǎng)度三個(gè)影響較大的因素,圖3為不同織構(gòu)參數(shù)刀具的平均切削力變化情況。當(dāng)微槽長(zhǎng)度和離刃距離一定,在微槽間距為5～15μm時(shí),切削力先減小后隨之增大。當(dāng)微槽織構(gòu)間距和長(zhǎng)度一定時(shí),隨著離刃距離增加,切削力先減小后增大;當(dāng)微槽與切削刃距離為35μm時(shí),切削力最小。當(dāng)微槽間距和離刃距離一定時(shí),隨著微槽長(zhǎng)度的增加,切削力逐漸減小。

圖3 不同因素織構(gòu)參數(shù)的切削力變化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以切削力為指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì),選取微槽間距、離刃距離、微槽長(zhǎng)度設(shè)計(jì)三因素兩水平正交試驗(yàn),找到微槽織構(gòu)參數(shù)對(duì)切削力影響的主次因素,以及最優(yōu)的微槽織構(gòu)參數(shù)組合,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,試驗(yàn)因素及水平見表6。本試驗(yàn)在確定因素水平時(shí)考慮了各因素間交互作用的處理原則,試驗(yàn)方案如表7所示。

表6 因素水平

4 試驗(yàn)結(jié)果

基于ABAQUS軟件進(jìn)行鉆削仿真后,提取麻花鉆在Z方向上所受的力,選取鉆削開始到平穩(wěn)階段的切削力為研究對(duì)象,即鉆削深度為0～0.5mm時(shí)的平均切削力,試驗(yàn)的平均切削力結(jié)果如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)0為常規(guī)麻花鉆的平均切削力,試驗(yàn)1～8為微槽織構(gòu)麻花鉆的平均切削力,可以看出,微槽織構(gòu)麻花鉆的平均切削力均小于常規(guī)麻花鉆,表面微槽織構(gòu)有效降低了切削力。

常規(guī)麻花鉆與微槽織構(gòu)麻花鉆在同一位置、同一時(shí)刻的切削過程對(duì)比如圖5所示,切削力對(duì)比見圖6。

(a)常規(guī)麻光鉆

(a)常規(guī)麻花鉆

當(dāng)麻花鉆開始接觸工件材料時(shí),由于橫刃與工件的擠壓作用使切削力迅速升高,隨著織構(gòu)麻花鉆的進(jìn)給,切削力會(huì)在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng),當(dāng)織構(gòu)麻花鉆鉆出工件后,切削力逐漸降低。從圖可以看出,微槽織構(gòu)參與切削前的階段和常規(guī)麻花鉆鉆出工件后兩種麻花鉆的切削力基本一致,但當(dāng)微槽織構(gòu)參與切削時(shí),切削力明顯降低。局部放大圖顯示切削力每個(gè)周期的變化呈山峰狀,與常規(guī)麻花鉆相比,當(dāng)微槽織構(gòu)參與到切削時(shí),每個(gè)切削力周期均有明顯的下降趨勢(shì),使該周期有較大一部分切削力處于峰值之下,其平均切削力明顯減小。當(dāng)?shù)毒呓嵌纫欢〞r(shí),刀具切削過程中的切削力與刀具前刀面的刀屑接觸長(zhǎng)度成正比。微織構(gòu)的置入減小了刀具前刀面與切屑之間的接觸面積和接觸長(zhǎng)度,從而降低了切削過程中的切削力[21]。

4.1 極差分析

計(jì)算極差Rj時(shí),交互作用列和因素列一樣看待,試驗(yàn)分析結(jié)果如表8所示,根據(jù)所求極差結(jié)果將各因素按主次順序排列,因素A,B,C都是對(duì)切削力影響較大的主要因素。

表8 試驗(yàn)結(jié)果分析

A×C的影響較小,直接用優(yōu)水平組合A2C2作為A×C的優(yōu)搭配,不考慮其他搭配。A×B和B×C的搭配影響較大,需要進(jìn)一步考慮,表9是考查其搭配的二元表,A2B1和B1C2為其兩因素的優(yōu)搭配。通過考慮織構(gòu)各參數(shù)的優(yōu)搭配和優(yōu)水平,可以確定織構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合為A2B1C2,即在此條件下,該織構(gòu)刀具的切削力最小。常規(guī)麻花鉆平均切削力為164.182N,與常規(guī)麻花鉆相比,最優(yōu)水平的微槽織構(gòu)麻花鉆可使切削力降低16.4%。

表9 二元表

4.2 方差分析

表10 微槽參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表11 方差分析

4.3 置信區(qū)間

0.0625-0.38=137.328

誤差限為

其中

由此可得,本試驗(yàn)A2B1C2為最優(yōu)組合,其指標(biāo)真值區(qū)間為(137.328-0.379)～(137.328+0.379),即136.949～137.707,此時(shí)的置信度為95%。

5 結(jié)語

(1)在鉆削鈦合金時(shí),麻花鉆后刀面置入微槽織構(gòu)能夠有效降低切削力,與常規(guī)麻花鉆相比最優(yōu)水平的微槽織構(gòu)麻花鉆可使切削力降低16.4%。

(2)結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,微槽織構(gòu)的離刃距離對(duì)切削力影響最大,其次是微槽織構(gòu)間距和長(zhǎng)度。

(3)在選定水平區(qū)間的最優(yōu)組合為A2B1C2,最優(yōu)組合的切削力大小區(qū)間(136.949,137.707),置信度為95%。