杜宏益，何　林，杜紅星，馬珂婧，李亞平

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽　550025；2.河南中鴻集團(tuán)煤化有限公司,河南 平頂山　467045)

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仿生摩擦學(xué)刀具織構(gòu)設(shè)計(jì)*

杜宏益1，何林1，杜紅星2，馬珂婧1，李亞平1

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽550025；2.河南中鴻集團(tuán)煤化有限公司,河南 平頂山467045)

論文應(yīng)用仿生摩擦學(xué)原理設(shè)計(jì)刀具微織構(gòu)，建立刀具切削模型，以42CrMo、GH4169、TC4、45鋼和7050鋁合金材料加工為例，使用切削軟件Third Wave AdvantEdge研究了不同的織構(gòu)形式對切削溫度和切削力的影響，發(fā)現(xiàn)沿流屑方向的微織構(gòu)模型最有利于降低切削力和刀具溫度，為高效加工難加工材料提供了新的思路。

仿生摩擦學(xué)；流屑方向；微織構(gòu)；切削力；刀具溫度

0　引言

隨著高效加工技術(shù)給各大行業(yè)帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益，它已成為機(jī)械制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，但對高強(qiáng)度鋼等難加工材料的高效加工，刀具技術(shù)是關(guān)鍵。近年來，隨著仿生摩擦學(xué)研究的迅速發(fā)展，運(yùn)用仿生體系的減摩抗粘機(jī)理進(jìn)行刀具的仿生織構(gòu)設(shè)計(jì)以改善刀具的切削性能，已成為刀具技術(shù)突破的潛在點(diǎn)。

有關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用鯊魚皮鱗盾溝槽的減阻機(jī)理[1]，泳衣可減阻8%、飛行器可減阻6.6%；將仿生耦合理論運(yùn)用到孕鑲金剛石鉆頭[2]上，使其鉆進(jìn)效率提高42.7%、壽命延長73.8%；關(guān)于凹坑型非光滑高速鋼車刀[3]切削45鋼仿真分析得其磨損量降低30%、平均溫度降低15%；用溝槽微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀片[4]切削45鋼時(shí)其正壓力和前刀面摩擦力分別減小7.41%、10.97%。這些都利用了表面微織構(gòu)的減摩抗磨機(jī)理。本論文基于穿山甲鱗片的摩擦磨損特性研究結(jié)論，以矩形織構(gòu)為例開展織構(gòu)方向?qū)Φ毒咝阅艿挠绊懷芯俊?/p>

1　仿生摩擦學(xué)刀具微織構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生摩擦學(xué)[5]是運(yùn)用仿生學(xué)原理，通過對生物體系的減摩、抗粘附、增摩、抗磨損以及高效潤滑機(jī)理的研究，從幾何、物理、材料和控制等角度借鑒生物體的成功經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)成規(guī)律，研究、發(fā)展和提升工程摩擦副的摩擦學(xué)性能。刀具在切削塑性金屬的過程中，由于切屑和刀具前刀面之間會產(chǎn)生非常大的壓力，幾乎能達(dá)到2～3GPa，刀屑擠壓摩擦?xí)r會產(chǎn)生上千度的高溫，可使切屑底部與刀具前刀面間發(fā)生粘結(jié)，減少切屑對刀具的力與熱的作用，對于提高刀具性能至為重要。

穿山甲鱗片由極細(xì)的棱柱結(jié)構(gòu)單元和疊片結(jié)構(gòu)單元混合而成，研究發(fā)現(xiàn)其鱗片是其挖洞扒土的有效工具。在自由磨料磨損條件下，研究穿山甲鱗片的摩擦磨損特性[6]時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨料平行于棱紋方向滑動時(shí)，棱紋上接觸應(yīng)力分布均勻，磨料既不發(fā)生滾動效應(yīng)也不發(fā)生引導(dǎo)效應(yīng)，從而使鱗片表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐磨性；而當(dāng)磨料滑動方向與棱紋方向垂直時(shí)，在棱紋迎砂面具有很高接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。

流屑角與刀具的幾何角度、被加工材料的性能和加工工藝參數(shù)等因素相關(guān)，是刀具切削過程的一個(gè)綜合闡述。在直角切削時(shí)，切屑沿刀刃法向流出，即流屑角ψλ=0°；在其它方式切削時(shí)，其計(jì)算公式[7]如下：

圖1　微織構(gòu)與流屑方向夾角示意圖

因此，受穿山甲鱗片的摩擦磨損特性研究的啟發(fā)，以矩形織構(gòu)為例，設(shè)計(jì)與流屑角不同夾角方向的織構(gòu)如圖1所示，研究不同夾角織構(gòu)對刀具性能的影響。

2　微織構(gòu)刀具切削難加工材料仿真分析

選取55°菱形刀片，刀具工作后角α0為6°、刀尖半徑rε為0.4mm、前角γ為9°、刃傾角λs為-7°、主偏角kr為93°，選取加工工藝參數(shù)：工件轉(zhuǎn)速n為600r/min、切削深度ap為1.5mm、進(jìn)給量f為0.3mm，依據(jù)流屑角公式，計(jì)算流屑角ψλ=6.293°。以下分別選擇42CrMo、 GH4169、TC4、45鋼和7050鋁合金加工材料，采用矩形微織構(gòu)：其截面寬20μm、深20μm、平均相距40μm，使用Third Wave AdvantEdge切削軟件進(jìn)行三維干切削仿真分析研究。

2.1加工42CrMo材料的切削仿真分析

根據(jù)上述切削用量和刀具有關(guān)參數(shù)，對直徑為φ90mm、硬度為HB314的42CrMo材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖2所示，織構(gòu)方向?qū)庸さ毒邷囟群颓邢髁Φ挠绊懭鐖D3所示。

(a)無織構(gòu)

(b)微織構(gòu)與流屑方向夾角-25°

(c)微織構(gòu)沿流屑方向

(d)微織構(gòu)與流屑方向夾角25°

圖3　切削42CrMo時(shí)各微織構(gòu)對刀具最高溫度和

對無織構(gòu)刀具仿真得刀具最高溫度是1145℃、切削合力是2512N。分析圖2、圖3時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向微織構(gòu)刀具切削時(shí)刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了33.663%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據(jù)等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了25%。

2.2加工GH4169材料的切削仿真分析

各有關(guān)參數(shù)同上所述，對硬度為HB409的GH4169材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖4所示，織構(gòu)方向?qū)庸さ毒邷囟群颓邢髁Φ挠绊懭鐖D5所示。

(a)無織構(gòu)

(b)微織構(gòu)與流屑方向夾角-25°

(c)微織構(gòu)沿流屑方向

(d)微織構(gòu)與流屑方向夾角25°

圖5　切削GH4169時(shí)各微織構(gòu)對刀具最高溫度和

對無織構(gòu)刀具仿真得刀具最高溫度是1130℃、切削合力是2650N。分析圖4、5時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向微織構(gòu)刀具切削時(shí)刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了26.818%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據(jù)等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了19%。

2.3加工TC4材料的切削仿真分析

根據(jù)上述切削用量和刀具有關(guān)參數(shù)，對直徑為φ90mm、硬度為HB268的TC4材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖6所示，織構(gòu)方向?qū)庸さ毒邷囟群颓邢髁Φ挠绊懭鐖D7所示。

(a)無織構(gòu)

(b)微織構(gòu)與流屑方向夾角-25°

(c)微織構(gòu)沿流屑方向

(d)微織構(gòu)與流屑方向夾角25°

圖7　切削TC4時(shí)各微織構(gòu)對刀具最高溫度

對無織構(gòu)刀具仿真得刀具最高溫度是900℃、切削合力是1263N。分析圖6、圖7時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向微織構(gòu)刀具切削時(shí)刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了24.505%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據(jù)等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了15%。

2.4加工45鋼材料的切削仿真分析

根據(jù)上述切削用量和刀具有關(guān)參數(shù)，對直徑為φ90mm、硬度為HB280的45鋼材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖8所示，織構(gòu)方向?qū)庸さ毒邷囟群颓邢髁Φ挠绊懭鐖D9所示。

(a)無織構(gòu)

(b)微織構(gòu)與流屑方向夾角-25°

(c)微織構(gòu)沿流屑方向

(d)微織構(gòu)與流屑方向夾角25°

對無織構(gòu)刀具仿真得刀具最高溫度是900℃、切削合力是1872N。分析圖8、圖9時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向微織構(gòu)刀具切削時(shí)刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了34.306%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據(jù)等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了25%。

圖9　切削45鋼時(shí)各微織構(gòu)對刀具最高溫度

2.5加工7050鋁合金材料的切削仿真分析

根據(jù)上述切削用量和刀具有關(guān)參數(shù)，對直徑為φ90mm、硬度為HB194的7050鋁合金材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖10所示，織構(gòu)方向?qū)庸さ毒邷囟群颓邢髁Φ挠绊懭鐖D11所示。

對無織構(gòu)刀具仿真得刀具最高溫度是303℃、切削合力是655N。分析圖10、圖11時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向微織構(gòu)刀具切削時(shí)刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了18.651%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據(jù)等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了9%。

(a)無織構(gòu)

(b)微織構(gòu)與流屑方向夾角-25°

(c)微織構(gòu)沿流屑方向

(d)微織構(gòu)與流屑方向夾角25°

圖11　切削7050鋁合金時(shí)各微織構(gòu)對刀具最高溫度

3　結(jié)論

經(jīng)過微織構(gòu)刀具對42CrMo、GH4169、TC4、45鋼和7050鋁合金材料的切削仿真分析發(fā)現(xiàn)，沿流屑方向微織構(gòu)模型最有利于降低切削力和刀具溫度，從而延長刀具使用壽命，提高對難加工材料的加工效率。但對其它不同微織構(gòu)模型的切削性能還有待研究。

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(編輯趙蓉)

Texture Design of Bionic Tribology Tool

DU Hong-yi1,HE Lin1,DU Hong-xing2,MA Ke-jing1,LI Ya-ping1

(1.College of Mechanical Engineering,Guizhou University, Guiyang 550025,China;2. Henan Zhonghong Group Coal Chemical Co., Ltd., Pingdingshan Henan 467045,China)

Design of tool microtexture is based on bionic tribology principle in this paper,then,the cutting model is built,taking 42CrMo,GH4169,TC4,45 steel and 7050 aluminium alloy materials processing for example,the different microtextures have influence on cutting temperatures and cutting forces,which is study employing professional cutting software-Third Wave AdvantEdge, and the study shows that the microtexture model along chip flow direction is the most beneficial to reduce cutting forces and tool temperatures,so that,it provides high efficiency machining difficult-to-cut material with new thought.

bionic tribology;chip flow direction;microtexture;cutting forces; tool temperatures

1001-2265(2016)04-0138-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.037

2015-05-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51265005)

杜宏益(1986—)，男，河南平頂山人，貴州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法， (E-mail)duhongyi1986@163.com；通訊作者：何林(1965—)，男，四川鹽亭人，貴州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)加工技術(shù)及裝備、摩擦與表面工程。

TH122;TG506

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