鉆頭微織構參數對切削力的影響研究

葛豐榕,于占江,李兆祥,張瀚文,李一全

1長春理工大學跨尺度微納制造教育部重點實驗室;2長春理工大學機電工程學院;3機械工業第九設計研究院股份有限公司

1 引言

鈦合金具有良好的機械性能和耐蝕性能,被廣泛應用于船舶、醫療和航天航空等領域,然而鈦合金工藝性能較差,導致在加工鈦合金零件時存在切削溫度高、制造成本高和切削力大等問題,嚴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、優化切削加工參數和刀具表面微織構化[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。刀具表面微織構化技術是一項非常有潛力的刀具改性技術,目前已有大量實驗結果表明,在刀具表面制備微織構能夠降低刀具切削力[4]、改善刀—屑界面的接觸狀態[5,6]和延長刀具壽命[7,8]。同時,很多學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軟件進行織構麻花鉆鉆削仿真實驗,結果表明,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。鄧大松等[12]利用DEFORM軟件研究微槽織構參數對織構麻花鉆的鉆削性能影響和作用機理。

在一定織構參數范圍內,刀具表面微織構技術能夠有效改善刀具的切削性能,降低加工過程中的切削力。表面織構對刀具表面的影響依賴于織構幾何形狀和尺寸,如織構方向、織構圖案、尺寸和織構位置[13],不合理的表面織構設計會對刀具磨損[14]、切屑附著力[15]、切削力[16]等產生不利影響。目前大多數研究集中于較大尺度下的織構參數[17],對于微小尺度表面微織構參數的最優組合以及織構參數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域設計微槽織構,采用ABAQUS仿真軟件進行鉆削仿真試驗,設計正交試驗方案研究后刀面微槽織構參數對鉆削鈦合金切削力的影響,通過極差和方差分析織構參數的主次影響因素,從而尋找最優的織構參數組合。

2 建立仿真模型

2.1 幾何建模與網格劃分

如圖1所示,利用Pro/E軟件建立直徑為1mm的后刀面微槽織構麻花鉆,具體參數見表1。為減小仿真運算量,僅對織構麻花鉆的鉆削部分進行仿真分析,以便更快速準確地得到仿真結果,并將麻花鉆模型導入ABAQUS仿真軟件中。

表1 麻花鉆模型參數

圖1 后刀面微槽織構麻花鉆

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

圖2 模型的網格劃分

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,將麻花鉆設為剛體,并在X軸與Y軸兩個方向對麻花鉆進行約束,將其數值輸入為0,設定麻花鉆沿著Z軸的正方向進給,由麻花鉆的進給量和轉速分別確定Uz值和URz值,設定麻花鉆的轉速n=800r/min,進給量f=0.1mm/r。

表2 常溫下工件材料Ti-6Al-4V的主要物理及機械性能

表3 常溫下刀具材料YG8的主要物理及機械性能

2.3 材料本構模型與分離模型

一般情況下,Johnson-Cook材料本構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度極限,方程簡單并能反映各因素在加工中對材料的影響,J-C材料模型為[19]

模型參數如表4所示。

表4 Ti-6Al-4V的修正Johnson-Cook材料模型常數

網格單元在積分點處的應變值對材料的斷裂失效具有一定的影響,材料的斷裂參數ω為[20]

ω=∑(Δε/εf)

式中,Δε為材料的等效塑性應變增量;εf為材料的失效應變。

當網格單元在積分點處的斷裂參數>1時,該處網格單元失效并被刪除,切屑與工件將產生分離,失效應變的計算式為[20]

式中,d1～d5為材料的損失參數,數值如表5所示。

表5 Ti-6Al-4V的J-C模型中d1～d5參數值

3 仿真試驗方案

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

圖3 不同因素織構參數的切削力變化

在單因素試驗的基礎上,以切削力為指標進行優化試驗設計,選取微槽間距、離刃距離、微槽長度設計三因素兩水平正交試驗,找到微槽織構參數對切削力影響的主次因素,以及最優的微槽織構參數組合,并對結果進行極差和方差分析,試驗因素及水平見表6。本試驗在確定因素水平時考慮了各因素間交互作用的處理原則,試驗方案如表7所示。

表6 因素水平

4 試驗結果

基于ABAQUS軟件進行鉆削仿真后,提取麻花鉆在Z方向上所受的力,選取鉆削開始到平穩階段的切削力為研究對象,即鉆削深度為0～0.5mm時的平均切削力,試驗的平均切削力結果如圖4所示。

圖4 試驗結果

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

常規麻花鉆與微槽織構麻花鉆在同一位置、同一時刻的切削過程對比如圖5所示,切削力對比見圖6。

(a)常規麻光鉆

(a)常規麻花鉆

當麻花鉆開始接觸工件材料時,由于橫刃與工件的擠壓作用使切削力迅速升高,隨著織構麻花鉆的進給,切削力會在一個區間范圍內波動,當織構麻花鉆鉆出工件后,切削力逐漸降低。從圖可以看出,微槽織構參與切削前的階段和常規麻花鉆鉆出工件后兩種麻花鉆的切削力基本一致,但當微槽織構參與切削時,切削力明顯降低。局部放大圖顯示切削力每個周期的變化呈山峰狀,與常規麻花鉆相比,當微槽織構參與到切削時,每個切削力周期均有明顯的下降趨勢,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。當刀具角度一定時,刀具切削過程中的切削力與刀具前刀面的刀屑接觸長度成正比。微織構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度,從而降低了切削過程中的切削力[21]。

4.1 極差分析

計算極差Rj時,交互作用列和因素列一樣看待,試驗分析結果如表8所示,根據所求極差結果將各因素按主次順序排列,因素A,B,C都是對切削力影響較大的主要因素。

表8 試驗結果分析

A×C的影響較小,直接用優水平組合A2C2作為A×C的優搭配,不考慮其他搭配。A×B和B×C的搭配影響較大,需要進一步考慮,表9是考查其搭配的二元表,A2B1和B1C2為其兩因素的優搭配。通過考慮織構各參數的優搭配和優水平,可以確定織構參數的最優組合為A2B1C2,即在此條件下,該織構刀具的切削力最小。常規麻花鉆平均切削力為164.182N,與常規麻花鉆相比,最優水平的微槽織構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 微槽參數試驗結果

表11 方差分析

4.3 置信區間

0.0625-0.38=137.328

誤差限為

其中

由此可得,本試驗A2B1C2為最優組合,其指標真值區間為(137.328-0.379)～(137.328+0.379),即136.949～137.707,此時的置信度為95%。

5 結語

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

(2)結合正交試驗設計方法,微槽織構的離刃距離對切削力影響最大,其次是微槽織構間距和長度。

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