P25類負型車刀片磨損分析

唐之博,周利平,原文,趙星星

1西華大學機械工程學院;2成都邦普切削刀具股份有限公司

1 引言

車削加工被廣泛應用在金屬加工中。目前國家大力推廣綠色產業,切削液在車削加工中的使用逐漸減少,干切削等切削方式被運用得越來越多[1]。在干切削加工中,刀具與工件作為一種特殊的摩擦副,具有接觸應力大、摩擦溫度高以及摩擦表面不斷變化的顯著特點,對刀具磨損等有非常大的影響[2]。在刀具表面添加涂層和改變切削用量等方式可以有效降低刀具的磨損,從而延長刀具的壽命[3]。

相對于正型車刀片,P25類負型車刀片的切削力較大,鋒利性較差,但這種結構能夠使用刀片兩面,可以提高經濟性。P25類負型車刀片主體為P25硬質合金,在其表面有TiN,TiCN和Al2O3三層涂層材料,可以有效降低刀具的磨損[4]。為了進一步減少P25類負型車刀片的磨損,提高P25類負型車刀片的有效使用壽命,有必要研究車削用量三要素對P25類負型車刀片磨損的影響[5]。

多位學者通過有限元仿真分析研究了不同切削用量條件下車刀磨損的情況,驗證了有限元仿真軟件對新型刀具磨損研究的可行性[6]。本文基于DEFORM仿真軟件對P25類負型車刀片中的WNMG080412-MD負型車刀片在不同車削用量下的刀具磨損程度進行對比,通過實驗進行驗證得出影響刀具磨損的車削用量主次順序。

2 方案設計

選取切削速度、進給量和切削深度三個車削用量因素進行正交實驗,研究對刀具磨損的影響。根據《機械加工工藝手冊》提供的推薦切削用量范圍,對每個因素確定三個水平變量進行正交實驗。因素水平參數見表1,正交實驗設計見表2。

表1 正交實驗因素水平參數

表2 正交實驗參數

因為極差分析法簡單、便捷,能夠提高對數據的處理分析效率,并且可以直觀地分析出實驗方案的最優組合水平及影響因素的主次順序,所以本文采用極差分析法分析數據。

3 摩擦系數測定

在運用有限元分析刀具磨損仿真時,需獲得刀具與工件之間的平均摩擦系數。刀具與工件之間的車削受力分析如圖1所示,車削時力與角度之間的關系如圖2所示。

圖2 力與角度之間的關系

通過計算分析后可以得出刀具與工件之間的摩擦系數μ為

(1)

式中,FP為切深抗力;Fc為主切削力;γ0為刀具前角。

為了獲得較準確的摩擦系數,在C2-6136HK無級變速數控車床上進行實驗,采用Kistler公司的測力設備測量刀具各個方向的切削力,通過Dynoware軟件獲取其大小,通過式(1)得出平均摩擦系數μ。

用DynoWare軟件采集力的數據并處理,得到時間段內的平均切削力,切削力分析曲線見圖3。計算后得出每組實驗的摩擦系數見表3。

圖3 切削力分析曲線

表3 摩擦系數

4 刀具磨損有限元分析

4.1 建立有限元模型

本文采用DEFORM軟件進行仿真分析,在建立的有限元模型中,WNMG080412-MD負型車刀的基體材料為WC,涂層材料為TiN,TiCN和Al2O3,工件材料為45鋼。為了車削仿真過程的穩定和盡量減少仿真時間,被加工工件長度設為10mm。因為車削加工均在室溫條件下進行,所以將熱傳導系數設為0.02N/sec/mm/C。網格采用絕對劃分方式,比例設為7,刀具的最小網格設為0.06mm,工件的最小網格設為0.075mm。圖4為車削45鋼的三維模型。

圖4 車削三維模型

4.2 仿真結果分析

在有限元仿真結束后提取仿真結果,部分仿真結果見圖5。

(a)V=200m/min,fz=0.2mm/r,ap=2mm

WNMG080412-MD負型車刀片車削45鋼時的最大磨損量如表4所示,用極差分析法進行分析后得到車削用量對WNMG080412-MD負型車刀磨損影響的主次順序和最優組合,表5為WNMG080412-MD仿真結果分析。

表4 WNMG080412-MD磨損仿真結果

表5 WNMG080412-MD 仿真結果分析

從表中可以得出,對WNMG080412-MD負型車刀片的磨損量影響最大的因素為B(進給量),其次為因素C(切削深度),最后為因素A(切削速度)。WNMG080412-MD負型車刀車削45鋼時,磨損量最小的車削用量是:切削速度V=160m/min,進給量fz=0.15mm/z,切削深度ap=2mm。

5 實例驗證

5.1 數據采集

為了驗證有限元仿真實驗的準確性,在C2-6136HK無級變速數控車床上進行與仿真分析條件一致的切削實驗,其中工件長度為720mm。在工業電子顯微鏡下觀察刀具磨損較均勻的區域,利用界面內置的尺寸長度依次記錄多個點數據,將多次記錄結果數據的平均值作為刀具磨損值,以減小測量誤差。

5.2 數據分析

按照正交實驗方案做完實驗,采集實驗數據后得到每組實驗最大的磨損值(見表6),將磨損仿真值和實驗值進行對比(見表7)。

表6 磨損實驗值

分析表7發現,實驗數據和仿真值相差較大,造成這種結果的原因是,仿真時為了節省時間,選取的工件長度為10mm,而實驗時考慮到設備規格和車削長度過短不容易測出磨損值,選取的工件長度為720mm。為了比較仿真值和實驗值的變化規律,繪制出折線圖觀察其磨損值的變化規律,如圖6所示。

圖6 實驗值與仿真值對比

由圖可得,在切削參數一致的條件下,WNMG080412-MD負型車刀片的仿真磨損值和實驗磨損值在磨損走向和規律方面一致,驗證了仿真分析結果的準確性。

6 結語

對P25類負型車刀片磨損的車削用量研究,建立了WNMG080412-MD負型車刀車削45鋼的有限元仿真模型并進行了磨損分析,在C2-6136HK無級變速數控車床上進行實驗驗證,得到了以下結論。

(1)采用工業電子顯微鏡對刀具磨損值進行測量后處理的數據與DEFORM有限元仿真軟件分析得出的數據變化規律基本一致,因此說明了有限元仿真軟件分析P25類負型車刀加工45鋼的磨損量的可行性。

(2)用極差分析法處理DEFORM有限元仿真軟件分析得出的數據后,得到車削用量對P25類負型車刀磨損影響的主次分別為進給量、切削深度和切削速度。WNMG080412-MD負型車刀車削45鋼時,磨損量最小的車削用量為:切削速度V=160m/min,進給量fz=0.15mm/z,切削深度ap=2mm。