刀具幾何參數(shù)對鋁合金車削性能的影響
2019-11-5 來源：貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院 國家精密微特電 作者：張蓉蓉 李長虹 趙先鋒 李榮隆
摘要：根據(jù)刀具的主要幾何參數(shù)設(shè)計了單因素實驗，在 Deform-3D 中建立了鋁合金 7075 的車削有限元模型，對車削過程進(jìn)行仿真，通過數(shù)據(jù)處理，得出前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑對切削力和切削溫度的影響，結(jié)果表明：切削力隨前角的增大而減小，隨刀尖圓弧半徑的增大而增大，主偏角和刃傾角對各方向上的力影響不同；切削溫度隨前角、刃傾角的增大而上升，隨刀尖圓弧半徑的增大而下降。
關(guān)鍵詞：切削力；切削溫度；Deform-3D；刀具；幾何參數(shù)
切削加工中，切削力和切削溫度對刀具耐用度、工件加工精度、已加工表面質(zhì)量、加工穩(wěn)定性等諸多現(xiàn)象都有很大影響。刀具幾何參數(shù)是影響切削力和切削溫度的重要因素，刀具幾何參數(shù)的合理選用對保證零件加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、延長刀具與設(shè)備的使用壽命、降低加工成本等方面有著非常重要的現(xiàn)實意義。
有限元仿真技術(shù)日趨成熟，在切削加工研究方面，尤其是在刀具幾何角度這種實驗成本高的研究方面發(fā)揮了重大作用，大量事實證明利用有限元仿真得出的結(jié)果可靠性高，對現(xiàn)實生產(chǎn)有重要的參考價值。
高強度鍛壓鋁合金 7075 是一種硬度高、密度小、耐腐蝕、易加工的材料，在航空航天、機械設(shè)備、工裝夾具等強度高、抗腐蝕性能強的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)體中得到廣泛應(yīng)用。在 UG 中建立刀具的三維模型，設(shè)計單因素實驗方案，在有限元分析軟件 Deform-3D 中建立車削模型，對硬質(zhì)合金刀具車削加工 7075 鋁合金工程進(jìn)行仿真，研究了刀具幾何參數(shù)對其切削力和切削溫度的影響，為 7075 鋁合金切削工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。
1 、單因素實驗設(shè)計
車刀的主要幾何參數(shù)主要包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角和刀尖圓弧半徑，這些參數(shù)各自有不同的功能及選用原則，并且它還相互聯(lián)系相互影響。
本文考慮影響車削力和車削溫度的主要幾何參數(shù)，以前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑為研究對象，各參數(shù)選取水平如表 1 所示。
表 1 刀具幾何參數(shù)水平表
增大后角可以減小刀具后刀面與工件之間的摩擦，提高已加工表面質(zhì)量，由于大部分實驗選取了 15°前角，若是選擇過大的后角，就會使刀具楔角顯著減小，削弱切削刃強度，減小刀頭散熱體積，影響刀具壽命，參照山特維克車削鋁合金專用車刀片，選取后角為 7°，刀尖角選取為 55°。具體實驗安排如表 2 所示。
表 2 實驗切削力和切削溫度
2 、車削仿真模型
2.1 車削仿真模型的建立
參照山特維克刀片 DCGX11T304-Al，在UG 中建立各刀片的三維模型，以.stl 格式導(dǎo)出；在Deform-3D 中建立車削模擬模型，刀具材料選用 WC，以相對方式劃分網(wǎng)格，并在刀尖處細(xì)化網(wǎng)格；工件模型為塑性，直徑 50 mm，彎曲角度 20°，以絕對方式劃分網(wǎng)格，最小單元格尺寸為進(jìn)給量的 30%，在工件與刀尖接觸處的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，設(shè)置細(xì)化網(wǎng)格窗口隨刀具移動。
2.2 仿真結(jié)果的提取
仿真完成后，進(jìn)入后處理窗口，提取切削力和切削溫度。在 Deform-3D 中，主切削力為Fy，進(jìn)給抗力為 Fx，切深抗力為 Fz。將切削力導(dǎo)出，在數(shù)據(jù)處理軟件 origin 中對曲線做平滑處理，取達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的切削力作為最終切削力。隨著切削的進(jìn)行，切削溫度隨塑性變形和摩擦的不斷積累而不斷升高，最高溫度出現(xiàn)在前刀面距刀尖一定距離處，高溫加劇了刀具的粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損，容易生成月牙洼。取每組仿真實驗刀尖處的最高溫度，如表 2。
3 、刀具幾何參數(shù)對切削力的影響
切削力主要來源于工件被切削部分發(fā)生彈性和塑性變形時的抗力、刀具與切屑之間及刀具與工件表面之間的摩擦作用。將切削力分解為三個相互垂直方向的分力，它們各自有不同的作用：主切削力 Fy是計算刀具強度，確定機床功率的主要依據(jù)；進(jìn)給抗力 Fx是設(shè)計進(jìn)給機構(gòu)，確定車刀進(jìn)給功率的依據(jù)；切深抗力 Fz不消耗機床功率，當(dāng)機床或工藝系統(tǒng)剛度不足時，易引起工件變形或造成震動。為直觀觀察各幾何參數(shù)對切削力的影響，將數(shù)據(jù)畫成折線圖。
3.1 前角對切削力的影響
如圖 1 所示，主切削力 Fy和進(jìn)給抗力 Fx均隨前角的增大而減小，且 Fx的降低幅度更明顯，切深抗力 Fz在前角不斷增大的情況下保持平穩(wěn)。這是由于隨著前角的增大，工件被切削部分塑性變形減小，變形系數(shù)減小，沿前刀面的摩擦力隨之減小，因此產(chǎn)生的切削力減小。
圖 1 前角對切削力的影響
3.2 主偏角對切削力的影響
如圖 2 所示，切深抗力 Fz在主偏角不斷增大的情況下緩慢減小；主偏角由 62.5°增加到75°，主切削力 Fy增大，進(jìn)給抗力 Fx減小緩慢；隨后隨著主偏角的增大，主切削力 Fy減小，進(jìn)給抗力 Fx緩慢增大。這是由于主偏角較小時，刀尖圓弧所占的切削工作比例增大，使切屑變
圖 2 主偏角對切削力的影響
3.3 刃傾角對切削力的影響
如圖 3 所示，刃傾角由 0°增大到 5°，主切削力 Fy增大，在由 5°增大到 10°時，F(xiàn)y變化很小；進(jìn)給抗力 Fx隨著刃傾角的增大而增大，切深抗力 Fz隨著刃傾角的增大而減小；從切削力角度分析，切削時選用大的刃傾角可以有效降低切深抗力 Fz，從而降低振動，提高已加工表面質(zhì)量。
圖 3 刃傾角對切削力的影響
3.4 刀尖圓弧半徑對切削力的影響
刀尖圓弧半徑的大小會影響切削刃的圓弧部分長度和各點主偏角。如圖 4 所示，隨著刀尖圓弧半徑的增大，主切削力 Fy和切深抗力 Fz增大，進(jìn)給抗力 Fx降低。這是由于刀尖圓弧半徑增大使切削刃曲線部分的長度增大，各點的主偏角減小，切削寬度增大，切削厚度減薄，使切削變形增加，導(dǎo)致主切削力 Fy和切深抗力Fz增大。
4 、刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響
切削加工時，若切削熱沒有及時傳導(dǎo)出去，就會影響刀具的使用壽命，還會影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，甚至引起機床熱變形，造成經(jīng)濟(jì)損失。影響切削熱與切削溫度的因素很多，這里分析車刀幾何角度對其產(chǎn)生的影響。
圖 4 刀尖圓弧半徑對切削力的影響
4.1 前角對切削力的影響
如圖 5 所示，切削溫度隨前角增大而升高。這是因為前角使刀具與切屑的接觸面積減小，通過切屑帶走的熱量大大減少，同時，前角的增大使刀具楔角減小，導(dǎo)致刀頭散熱體積減小，散熱條件變差使切削溫度上升。
圖 5 前角對切削溫度的影響
4.2 主偏角對切削力的影響
如圖 6 所示，主偏角由 62.5°變化為 75°時，切削溫度上升。這是由于主偏角增大，切削寬度減小，散熱減小；當(dāng)主偏角繼續(xù)增大時，切削溫度降低，這是由于切削寬度減小，切削厚度增大，切削變形和摩擦減輕，切削力減小，結(jié)合圖 2 可以看出，在主偏角的這一變化階段，主切削力也減小，所以切削溫度隨之下降。
4.3 刃傾角對切削溫度的影響
如圖 7 所示，主偏角由 0°變化為 7°時，切削溫度上升。這是由于刃傾角增大刀頭散熱體積減小；當(dāng)刃傾角繼續(xù)增大時，切削溫度下降，這是由于刃傾角增大為 10°時刀具的鋒利程度明顯變大，切削變得輕快，切削力減小，切削溫度隨之下降。
圖 6 主偏角對切削溫度的影響
圖 7 刃傾角對切削溫度的影響
4.4 刀尖圓弧半徑對切削力的影響
如圖 8 所示，切削溫度隨著刀尖圓弧半徑的增大而下降。這是由于刀尖圓弧半徑的增大使得刀尖部分導(dǎo)熱面積和容熱體積增大，大大改善了散熱條件，所以切削溫度會有所下降。
圖 8 刀尖圓弧半徑對切削溫度的影響
5 、結(jié)論
（1）選取前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑為研究對象，設(shè)計了單因素實驗方案，在 Deform-3D 中建立車削模型對切削過程進(jìn)行仿真，得到三個方向上的切削力和切削溫度。
（2）切削力隨前角的增大而降低，隨刀尖圓弧半徑的增大而增大；隨著主偏角的增大，切深抗力 Fz緩慢減小；主切削力 Fy先增大后減小，進(jìn)給抗力 Fx先減小后增大；隨著刃傾角的增大，主切削力 Fy先增大后趨于平穩(wěn)，進(jìn)給抗力 F增大，切深抗力 Fz減小；從減小切削力和保證加工平穩(wěn)性考慮，刀具的最佳組合為：前角 15°、主偏角 93°、刃傾角 7°、刀尖圓弧半徑0.2～0.4 mm。
（3）切削溫度隨前角、刃傾角的增大而上升，隨刀尖圓弧半徑的增大而下降，隨主偏角的增大而先增大后減小。切削加工時，應(yīng)綜合考慮切削用量、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面，合理選用刀具幾何參數(shù)。
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