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              PCBN刀具磨損對切削過程影響的有限元仿真研究

              2019-08-05 10:09:54
              摘要 PCBN刀具硬度高、化學性能穩定、耐磨性好,與硬質合金刀具相比具有壽命長、加工效率高的特點,所加工的工件表面質量好、加工精度高,具有廣闊的發展前景,在發達國家使用量所占比重越來越大...

              PCBN刀具硬度高、化學性能穩定、耐磨性好,與硬質合金刀具相比具有壽命長、加工效率高的特點,所加工的工件表面質量好、加工精度高,具有廣闊的發展前景,在發達國家使用量所占比重越來越大。但是在金屬切削過程中的刀具磨損會降低加工效率,增加生產成本,甚至會為操作人員帶來危險。劉獻禮等通過PCBN刀具精密切削材料淬硬鋼GCr15的試驗深入研究了刀具磨損特性,并從白層現象、表面粗糙度等方面分析了PCBN刀具切削GCr15的加工表面質量。Steven Y.Liang等更深層地定量化探索了PCBN刀具的磨損機理,把PCBN刀具磨損時會發生的磨損現象(如擴散磨損、粘結磨損、磨料磨損等)與切削參數、刀具和工件材料硬度、切削區域受力受溫情況等參數相結合,并用函數表示出來。計偉等通過大量試驗研究了PCBN刀具切削鎳基高溫合金GH706的失效過程。在這些研究基礎上,本文對刀具磨損進行量化,通過改變刀具磨損量進行切削,同時研究了磨損量對切削過程的影響。

              1  建立切削有限元模型

              通過有限元仿真軟件ABAQUS建立二維有限元仿真模型,在建模的模塊中畫出所需要的刀具和工件,劃分網格后在自建材料庫中選擇所需材料,再將其裝配到一起,形成二維切削有限元模型。為了減少仿真時間,同時又能保證計算的準確性,仿真時采取了局部網格劃分,對切削區域(即工件上半部分)的網格劃分比較密(見圖1)。刀具網格劃分為258個單元和275個節點,在刀尖處進行網格細化。在仿真時對工件底部、左側以及右側不與刀具接觸的部分進行固定約束。

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               圖1  ABAQUS二維切削有限元模型

              為研究刀具磨損對切削過程的影響,分別建立了5個切削模型,刀具磨損量分別設為0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm,將前刀面月牙洼磨損近似成圓弧,即圓弧半徑分別為0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm。其余切削參數均設為一致,切削速度v=188m/min,進給量f=0.1mm/r,切削深度ap=0.2mm。

              2  仿真結果分析

              (1)刀具磨損對切屑形態的影響

              在切削過程中,刀具的磨損對切削力、切削溫度甚至切屑的形態都會有影響,圖2為不同刀具磨損量對應的切屑形態圖。

              圖2a為刀具沒有磨損時的切屑形態,圖2b為刀具磨損量0.05mm時的切屑形態??梢钥闯觯旱毒吣p量較小,與刀具無磨損時相比,在切屑與刀具磨損接觸的位置溫度有所升高,切屑變形略微增大,但是切屑的形態基本無變化。圖2c是刀具磨損量為0.15mm時切屑的形態??梢钥闯?,切屑受刀具磨損的影響,切屑變形增大,且切屑和刀具磨損接觸位置的溫度升高明顯,切屑的鋸齒化程度變大,并且鋸齒變得和緩。如圖2d所示,當刀具磨損量達到0.2mm時,鋸齒化程度變得更劇烈,鋸齒的產生頻率也在降低,并且由于刀具磨損變大的原因,切屑與刀具的接觸面積和摩擦作用增大,切屑和刀具磨損接觸位置的溫度升高更明顯,切屑的變形程度也更大。

              微信圖片_20190805100409.jpg 

              (a)VB=0

              微信圖片_20190805100429.jpg 

              (b)VB=0.05mm

              微信圖片_20190805100508.jpg

              (c)VB=0.15mm

              微信圖片_20190805100532.jpg

              (d) VB=0.2mm

              圖2  不同刀具磨損量時的切屑形態

              (2)刀具磨損對切削溫度的影響

              從上述分析及圖2可以看出,切削溫度隨刀具磨損的增加而呈上升趨勢。圖3是切削區域的溫度隨切削時間的變化曲線??梢钥闯?,隨著切削的進行,切削溫度越來越高,切削剛開始時溫度波動比較大,這是由于刀具剛切入工件時切削狀態還不太穩定,當切削逐漸穩定后,切削溫度隨之穩步升高,并且升高趨勢越來越小。

              微信圖片_20190805100613.jpg

               圖3  切削溫度隨時間變化曲線

              圖4為刀具最大溫度值隨刀具磨損量的變化曲線圖。磨損量越大,溫度越高,上升趨勢越明顯。這是因為磨損越大,切屑與刀具接觸面積越大,摩擦力越大,所產生的摩擦功越大,轉化成的熱能就越多。切削熱的另一部分來源是材料的彈塑性變形,這兩個原因導致了磨損量增大,切削溫度增高。

              微信圖片_20190805100642.jpg

               圖4  刀具最大溫度隨刀具磨損變化趨勢

              (3)刀具磨損對切削力的影響

              圖5a和圖5b分別是無磨損時和VB=0.2mm時Y方向切削力的仿真圖??梢钥闯觯寒數毒邿o磨損時,切削力曲線比較平滑;當刀具發生磨損甚至磨損量較大時,切削力的曲線會發生較大的波動。這是因為無磨損或者磨損較小時切削狀態比較平穩,磨損量增大時,切削狀態越來越不穩定,振動越來越劇烈。圖6的柱形圖反映了X軸、Y軸和合力隨刀具磨損量的變化趨勢,即磨損量越大,切削力越大。這是因為刀具磨損量以及切屑與刀具接觸面積越大,摩擦力就越來越大,切削力也隨之而增大。并且,隨著切削的進行,塑性變形和切削力也會增大。由圖還可以看出,當磨損量增大到一定程度,X和Y方向的切削力都增大得越來越慢,合力也有相同的變化趨勢。

              3  有限元仿真結果試驗及分析

              為了驗證仿真結果的正確性進行了單因素車削試驗。采用株洲鉆石公司的硬質合金刀體,型號為CNMG120408-PM,刀片上的PCBN焊接片選用日本住友公司的BNX20,CBN體積百分比為50%,試驗用刀具見圖7。工件材料為高強度鋼Cr12MoV,工件直徑135mm,在沈陽CA6140機床上進行試驗,采用Kistler 9275B三向壓電式測力儀測量切削力,Thermo Vision A40紅外熱像儀測量切削溫度,試驗現場如圖8所示。

              設計的試驗參數與仿真參數相同,切削速度v=188m/min,進給量f=0.1mm/r,切削深度ap=0.2mm。分別在刀具磨損量為0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm時對切削力和切削溫度進行測量。

              微信圖片_20190805100726.jpg

              (a)VB=0

              微信圖片_20190805100751.jpg

              (b)VB=0.2mm

              圖5  不同刀具磨損量時的Y方向切削力

              微信圖片_20190805100824.jpg

              圖6  切削力隨刀具磨損的變化趨勢

              微信圖片_20190805100850.jpg

              圖7  試驗刀具

              微信圖片_20190805100913.jpg

               圖8  試驗加工現場

              圖9a是X軸和Y軸切削力的仿真與試驗結果的對比分析圖??梢钥闯?,試驗中X軸和Y軸的切削力隨刀具磨損量的增大而增大,Y方向切削力增大的趨勢比X方向明顯很多,但當磨損量增大到0.15mm后,切削力增大趨勢變緩,這是因為刀具磨損已經接近磨損標準。圖9b是切削溫度的仿真與試驗結果的對比分析圖,可以看出切削溫度也隨著刀具磨損量的增大而顯著增大。從圖9a、圖9b中可以看出,仿真結果與試驗結果比較接近,但仍存在差距,因為仿真過程中不考慮溫度、環境、積屑瘤以及機床振動等因素,但是二者變化趨勢相同,誤差較小。

              微信圖片_20190805101115.jpg

               (a)無磨損時的切屑卷曲形態

              微信圖片_20190805101308.jpg

               (b)磨損為0.2mm時的切屑卷曲形態

              圖9  仿真和試驗結果對比

              微信圖片_20190805101329.jpg

              (a)無磨損時的切屑卷曲形態

              微信圖片_20190805101346.jpg

              (b)磨損為0.2mm時的切屑卷曲形態

              圖10  不同刀具磨損量的切屑卷曲形態對比

              微信圖片_20190805101411.jpg

               (a)無磨損時切屑

              微信圖片_20190805101435.jpg

               (b)磨損為0.1mm時的切屑

              微信圖片_20190805101459.jpg

               (c)磨損為0.15mm時的切屑

              微信圖片_20190805101517.jpg

               (d)磨損為0.2mm時的切屑

              圖11  不同刀具磨損量對切屑形態的影響

              為觀察切屑的形態,本文對不同刀具磨損量下的切屑形態用超景深顯微鏡進行觀測(見圖10和圖11)。由圖可以看出,當刀具無磨損進行切削時,切屑形態卷曲,表面光滑,并且很有規律,呈C形屑;當刀具磨損增加時,切屑表面粗糙,卷曲程度變小,切屑表面也越來越不平整,形態各異,大小不一,毫無規律,甚至出現斷屑。因此,刀具磨損對切屑形態的影響比較大。

              小結

              本文采用有限元仿真軟件ABAQUS模擬了PCBN刀具分別在磨損量為0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm時切削高強度鋼Cr12MoV的過程,分析了切削力、切削溫度和切屑形態的變化,即切削力和切削溫度隨著刀具磨損量的增大而增大,對切屑形態的影響也較大。雖然磨損標準為0.2mm,但當PCBN刀具切削Cr12MoV的磨損量為0.15mm時,就已經對切削過程產生很大影響,應及時換刀,以保證切削質量以及加工安全。


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