劉偉,劉順,梁桂強,袁厚才
微織構(gòu)刀具切削性能及減摩效果的仿真分析
劉偉1,劉順1,梁桂強2,袁厚才1
(1.湖南科技大學 難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;2.湖南領(lǐng)航科創(chuàng)教育科技有限公司,湖南 湘潭 411100)
研究3種不同類型微織構(gòu)在鈦合金(TC4)切削過程中對刀具切削性能的影響?;谟邢拊治鲕浖?,在硬質(zhì)合金刀具的前刀面上設(shè)計半圓凹型微織構(gòu)、半圓凸型微織構(gòu)以及梯形槽微織構(gòu)3種不同類型的微織構(gòu),通過改變微織構(gòu)直徑或?qū)挾?、微織?gòu)間距和微織構(gòu)覆蓋長度,研究微織構(gòu)刀具對背向力、切削溫度以及摩擦力的影響。對背向力而言,半圓凹型微織構(gòu)刀具、半圓凸型微織構(gòu)刀具、梯型槽微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下可分別降低14.0%、13.9%、18.6%;但半圓凸型微織構(gòu)直徑大于8 μm時,背向力超過了無織構(gòu)刀具。對切削溫度而言,3種微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下可分別降低5.9%、10.7%、9.6%。對刀具所受摩擦力而言,3種微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下可分別降低23.0%、27.7%、21.9%。合理的表面微織構(gòu)能夠改善刀具的切削性能。梯型槽微織構(gòu)刀具降低背向力效果最佳;半圓凸型微織構(gòu)刀具降溫和減摩效果最佳。刀具切削性能隨微織構(gòu)直徑和微織構(gòu)間距的增加呈先減小后增大的趨勢,且存在最優(yōu)的微織構(gòu)參數(shù)。在刀-屑接觸長度范圍內(nèi),微織構(gòu)覆蓋長度越長,減摩效果越好。
微織構(gòu);有限元仿真;鈦合金;背向力;切削溫度;減摩特性
隨著仿生學的不斷發(fā)展,研究人員發(fā)現(xiàn)某些動植物表面具有微小的紋理結(jié)構(gòu),這些表面微結(jié)構(gòu)具有摩擦因數(shù)低、潤滑性良好等特點[1]。刀具表面微織構(gòu)是指參照仿生學原理,在刀具表面加工出尺寸為微米級的凹坑、凹槽、凸包、橢圓、圓形以及魚鱗狀等結(jié)構(gòu),可以提升刀具的切削性能以及摩擦特性[2]。采用激光、電火花等工藝將刀具參與切削的表面制成一定的微織構(gòu),有助于提高刀具的潤滑性能,減緩刀具磨損[3-6]。
國內(nèi)外學者對微織構(gòu)刀具切削性能做了大量實驗研究。楊立軍等[4]應用飛秒激光技術(shù)在硬質(zhì)合金車刀前刀面加工出平行凹槽紋理和垂直凹槽紋理,并研究了2種微紋理對切削性能的影響,發(fā)現(xiàn)具有特定尺寸參數(shù)的平行凹槽可以顯著地提高切削性能,有利于主切削力、摩擦因數(shù)的改善。劉鑫等[5]用微織構(gòu)拉刀和常規(guī)拉刀進行了干法拉削實驗,微織構(gòu)拉刀能有效降低拉削力,極大提高工件表面質(zhì)量。Devaraj等[6]用具有微織構(gòu)的車刀對金屬基復合材料進行了加工,結(jié)果表明微織構(gòu)能夠有效保留潤滑劑,從而提高潤滑效果,使表面粗糙度降低,切削功耗減小。Pratap等[7]采用微電放電加工工藝在多晶金剛石(PCD)磨刀的端面加工出微織構(gòu),使刀具磨削區(qū)域上的切屑粘附和磨損明顯減少。Rajbongshi等[8]比較了點紋織構(gòu)、溝槽織構(gòu)和無織構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀具的切削性能,其中織構(gòu)刀能夠有效減少刀具側(cè)翼磨損,點紋織構(gòu)刀具具有更好的耐磨性。
復雜刀具制造困難,試驗周期長,且微織構(gòu)加工成本較高,故許多研究人員采用有限元模擬方法來研究微織構(gòu)刀具的性能。Ma等[9]利用有限元軟件模擬了微槽寬度、邊緣距離和寬深比3種織構(gòu)參數(shù)對鈦合金三維車削時主切削力和切屑形態(tài)的影響,得到了主切削力最小的織構(gòu)參數(shù)范圍。王曉明等[10]設(shè)計了等間距、不等間距以及混合型3種微織構(gòu)刀具模型,進行有限元分析,發(fā)現(xiàn)3種織構(gòu)刀具能夠減小前刀面溫度、降低主切削力,微織構(gòu)間距分布對刀具減摩效果有一定影響。Arulkirubakaran等[11]利用有限元仿真研究了交叉紋理微織構(gòu)、平行紋理微織構(gòu)以及垂直紋理微織構(gòu)刀具切削性能,其中垂直紋理微織構(gòu)刀具的切削性能最佳,切屑更易卷曲。Kang等[12]采用有限元方法研究了不同幾何形狀的微織構(gòu)鉆頭在高溫合金加工中的性能,織構(gòu)刀具最高溫度可降低4.6%~8.9%,切削力可下降12.3%~ 32.1%,增加微織構(gòu)的寬度可避免二次切削現(xiàn)象。
對于微織構(gòu)刀具仿真研究,多數(shù)學者研究了同一織構(gòu)在特定參數(shù)下的微織構(gòu)分布,對于不同微織構(gòu)類型在同一系列參數(shù)下的研究較少。為此設(shè)計了3種不同類型的硬質(zhì)合金微織構(gòu)刀具,在同一裝配模型、相同切削參數(shù)下,進行有限元分析對比,從背向力、切削溫度、減摩效果等方面研究了微織構(gòu)刀具的不同織構(gòu)參數(shù)對鈦合金的切削加工性能的影響,為制備微織構(gòu)刀具提供理論依據(jù)。
設(shè)置刀具前角=3°,后角=13°,刀尖鈍圓半徑=0.01 mm,如圖1所示。為減小有限元模型計算規(guī)模,取工件尺寸為0.8 mm×0.4 mm,如圖2所示,限制工件的6個自由度,使底面完全固定;工件網(wǎng)格采用四面體(Quard)單元,網(wǎng)格上密下疏,上半部分切削區(qū)域網(wǎng)格尺寸為4 μm。刀具限制5個自由度,按設(shè)定速度進行切削;刀具網(wǎng)格采用三角形(Tri)單元,刀尖及前后刀面網(wǎng)格密,刀尖網(wǎng)格大小為4 μm,由刀尖過渡到刀體的網(wǎng)格漸疏,織構(gòu)刀具前刀面織構(gòu)部分進行網(wǎng)格密化,網(wǎng)格大小為2 μm。
圖1 刀具模型尺寸
圖2 有限元模型
Johnson-Cook模型認為材料在高應變速率下表現(xiàn)為應變硬化、應變速率硬化和熱軟化效應,其本構(gòu)方程為[13]:
刀具材料為硬質(zhì)合金,其主要力學性能見表1。工件材料為鈦合金TC4,選用Johnson-Cook本構(gòu)模型。鈦合金TC4的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置見表2[13]。
在切削仿真過程中,需根據(jù)材料屬性設(shè)定切屑分離準則,以便材料的去除。對于金屬材料采用Johnson-Cook剪切失效準則,失效參數(shù)的定義為:
表1 硬質(zhì)合金刀具物理及力學性能
Tab.1 Physical and mechanical properties of hard alloy tool
表2 工件(TC4)的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)
Tab.2 Parameters of Johnson-Cook constitutive model of workpiece TC4
表3 工件(TC4)的Johnson-Cook剪切失效模型參數(shù)
Tab.3 Parameters of Johnson-Cook shear failure model of workpiece TC4
以無織構(gòu)刀具(T0)為對照組,設(shè)計了3種微織構(gòu)刀具,分別為半圓凹型微織構(gòu)刀具(T1)、半圓凸型微織構(gòu)刀具(T2)和梯型槽微織構(gòu)刀具(T3)。在切削速度為1000 mm/s、切削深度為0.1 mm、摩擦因數(shù)為0.2的工況下進行有限元仿真,從背向力、切削溫度和摩擦力等方面探討3種微織構(gòu)的不同參數(shù)組合對刀具切削性能的影響。刀具織構(gòu)類型及網(wǎng)格劃分如圖3所示,仿真模型刀具參數(shù)設(shè)置見表4。
圖3 微織構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分
表4 仿真模型刀具參數(shù)
Tab.4 Tool parameters of simulation model
切削力示意圖如圖4所示,c為沿切削速度方向的主切削力,p為背向力,為兩者的合力。通過圖像處理軟件Origin進行濾波以及平滑處理后的主切削力和背向力隨時間變化曲線如圖5a和5b所示。鈦合金切屑形態(tài)呈明顯的鋸齒狀,切削力也隨之發(fā)生波動,與文獻[14]的實驗結(jié)果吻合。其中主切削力較大,但各刀具間主切削力差距不明顯,故取穩(wěn)定切削階段(0.002~0.006 s)的背向力進行研究分析。
圖4 切削力示意
圖6為3種不同微織構(gòu)刀具在不同微織構(gòu)直徑/寬度、微織構(gòu)間距以及微織構(gòu)覆蓋長度時的背向力仿真結(jié)果對比。圖6a為微織構(gòu)間距為20 μm,覆蓋長度為300 μm時背向力隨微織構(gòu)直徑/寬度變化的仿真結(jié)果。對半圓凹型微織構(gòu)和梯型槽微織構(gòu)而言,微織構(gòu)直徑/寬度=6 μm時2種刀具背向力最小,當微織構(gòu)直徑從6 μm增加到12 μm時背向力逐漸增大,但仍低于無織構(gòu)刀具,最佳微織構(gòu)直徑為4~8 μm。對半圓凸型微織構(gòu)而言,隨著微織構(gòu)直徑的變化,其趨勢與半圓凹型和梯型槽微織構(gòu)大致相同,均為先減小后增大,但當半圓凸型微織構(gòu)刀具微織構(gòu)直徑大于8 μm時,背向力超過了無織構(gòu)刀具。圖6b為微織構(gòu)直徑/寬度為8 μm,覆蓋長度為300 μm時背向力隨微織構(gòu)間距變化的仿真結(jié)果。隨著微織構(gòu)直徑/寬度以及微織構(gòu)間距的增加,3種微織構(gòu)刀具背向力均先減小后增大,但半圓凸型微織構(gòu)減小背向力的效果不佳。對比圖6a可知,相對于微織構(gòu)直徑/寬度對背向力的影響,微織構(gòu)間距對背向力的影響幅度較小。圖6c為微織構(gòu)直徑/寬度為8 μm,間距為20 μm時背向力隨微織構(gòu)覆蓋長度變化的仿真結(jié)果。隨著微織構(gòu)覆蓋長度的增加,半圓凹型微織構(gòu)和梯形微織構(gòu)刀具的背向力逐漸減小,微織構(gòu)覆蓋長度進一步增加,背向力降低的幅度逐漸減??;而半圓凸型微織構(gòu)刀具隨著微織構(gòu)覆蓋長度的增加先減小后增大。
總體而言,3種微織構(gòu)刀具在合理的織構(gòu)尺寸下均有降低背向力的作用。半圓凸型微織構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時易導致背向力過大,這是由于半圓凸型微織構(gòu)刀具的微凸起使二次切削作用[12]加劇,背向力增大;因此實際加工時,半圓凸型微織構(gòu)的織構(gòu)尺寸不宜過大。與無織構(gòu)刀具相比,半圓凹型織構(gòu)刀具B2的最大背向力可降低14.0%,梯型槽微織構(gòu)刀具D3的最大背向力可降低18.6%;梯形槽微織構(gòu)刀具降低背向力的效果最佳,半圓凹型微織構(gòu)刀具次之。
圖5 切削力隨時間變化曲線
圖6 背向力仿真結(jié)果對比
對表4中各組不同類型及尺寸的模型進行仿真計算,得到刀具切削過程的溫度云圖。圖7為無織構(gòu)刀具T0、半圓凹型微織構(gòu)刀具B3、半圓凸型微織構(gòu)刀具C3和梯型槽微織構(gòu)刀具D3穩(wěn)定切削時刻的溫度云圖??梢钥闯龅毒咦罡邷囟染霈F(xiàn)在刀尖附近,微織構(gòu)對刀具溫度分布影響不大,溫度梯度均呈圓弧狀向外發(fā)散,但在一定程度上降低了切削溫度。如圖7a所示,標記了刀具刀尖高溫區(qū)的3個節(jié)點,分別提取穩(wěn)定切削時刻各刀具刀尖3點溫度并取平均值進行對比分析,切削溫度仿真結(jié)果如圖8所示。
隨著微織構(gòu)直徑/寬度以及微織構(gòu)間距的增加,3種微織構(gòu)刀具溫度均呈先減小后增加的趨勢,其中半圓凹型微織構(gòu)刀具切削溫度的變化幅度很小,降溫效果較差;隨著微織構(gòu)覆蓋長度的增加,切削溫度逐漸減小,當微織構(gòu)覆蓋長度增加到一定程度后趨于平緩。與無織構(gòu)刀具相比,半圓凹型微織構(gòu)刀具最高溫度可降低5.9%,半圓凸型微織構(gòu)刀具最高溫度可降低10.7%,梯型槽微織構(gòu)刀具的最高溫度可降低9.6%,半圓凸型織構(gòu)和梯形槽微織構(gòu)刀具的散熱效果相對明顯。由于微凹槽及微凸起的存在,減小了刀-屑接觸面積,同時也減少了工件與刀具的熱傳導;微織構(gòu)與切屑之間間隙的存在提供了更多的散熱空間,提高了對流散熱效果。此外,圖6表明合理的微織構(gòu)能夠有效減少背向力,故切削過程中消耗的能量較少,這也可以減少熱量的產(chǎn)生,這些因素共同導致了切削溫度的降低。合理的微織構(gòu)能夠有效降低切削溫度,降溫效果依次為:半圓凸型微織構(gòu)刀具>梯型槽微織構(gòu)刀具>半圓凹型微織構(gòu)刀具。
鈦合金切削時易發(fā)生粘刀現(xiàn)象,加劇磨損,合理微織構(gòu)的存在能夠減小刀具磨損,提高刀具使用壽命[3]?,F(xiàn)對仿真過程刀-屑摩擦力進行分析,研究不同微織構(gòu)分布對刀具減摩效果的影響,仿真結(jié)果如圖9所示。
刀-屑間摩擦力隨微織構(gòu)直徑/寬度的變化如圖9a所示。從仿真結(jié)果可知,3種微織構(gòu)刀具摩擦力隨微織構(gòu)直徑/寬度的變化趨勢相似,均呈先減小后增加的趨勢。微織構(gòu)刀具所受摩擦力均小于無織構(gòu)刀具,這意味著在此范圍內(nèi)的微織構(gòu)對減小摩擦力是有效的,3種微織構(gòu)刀具均存在最佳微織構(gòu)直徑/寬度。刀-屑間摩擦力隨織間距的變化如圖9b所示。隨著微織構(gòu)間距的增加,半圓凹型微織構(gòu)刀具所受摩擦力略有波動,大致呈增加的趨勢,半圓凸型微織構(gòu)刀具和梯型槽微織構(gòu)刀具所受摩擦力先減小后增加;對半圓凹型微織構(gòu)刀具而言,微織構(gòu)間距為10 μm時摩擦力最小,對半圓凸型微織構(gòu)刀具而言,微織構(gòu)間距為20 μm時摩擦力最小,對半圓梯型槽微織構(gòu)刀具而言,微織構(gòu)間距為15 μm時摩擦力最小,由曲線變化趨勢可以推測3種微織構(gòu)刀具均存在最優(yōu)的織構(gòu)間距,這將顯著降低刀具所受摩擦力,提高刀具壽命。刀-屑間摩擦力隨微織構(gòu)覆蓋長度的變化如圖9c所示。隨著微織構(gòu)覆蓋長度的增加,刀具所受摩擦力逐漸減小。微織構(gòu)覆蓋長度從0增大到200 μm左右時,摩擦力降低效果明顯;圖10為半圓凹形微織構(gòu)覆蓋長度為200 μm(刀具B11)以及微織構(gòu)覆蓋長度為300 μm(刀具B3)在穩(wěn)定切削時刻的切屑形態(tài)示意圖,當微織構(gòu)覆蓋長度進一步增加時,由于切屑的卷曲,刀具前刀面與切屑的接觸長度不再增加,故摩擦力無明顯變化。與無織構(gòu)刀具相比,3種微織構(gòu)刀具皆能有效減小摩擦力以及刀具磨損,半圓凹型微織構(gòu)刀具B6的摩擦力降低了23.0%,半圓凸型微織構(gòu)刀具C12的摩擦力降低了27.7%,梯型槽微織構(gòu)刀具D4的摩擦力降低21.9%,故半圓凸型微織構(gòu)刀具減摩效果最佳。
圖7 刀具溫度分布云圖
圖8 切削溫度仿真結(jié)果對比
圖9 摩擦力仿真結(jié)果對比
為探究微織構(gòu)刀具減摩效果與刀-屑接觸面積的關(guān)系,對3種微織構(gòu)各自減摩效果最佳的刀具B6、C12、D4切削過程中的刀-屑接觸面積與無織構(gòu)刀具T0進行對比,圖11為4種刀具刀-屑接觸面積仿真結(jié)果。3種刀具的刀-屑接觸面積均比無織構(gòu)刀具小,半圓凸型微織構(gòu)刀具C12刀-屑接觸面積最小,半圓凹型微織構(gòu)刀具B6次之,梯型槽微織構(gòu)刀具D4最大??梢哉J為摩擦力大小與刀-屑接觸面積成正比,因此減小刀-屑接觸面積有利于提高微織構(gòu)刀具的減摩效果。
圖10 切屑形態(tài)
圖11 刀-屑接觸面積
Fig.11Knife-chip contact area
通過創(chuàng)建不同微織構(gòu)類型的刀具并進行鈦合金切削仿真計算,得到如下結(jié)論。
1)與無織構(gòu)刀具的切削仿真過程進行對比,發(fā)現(xiàn)半圓凹型微織構(gòu)和梯形槽微織構(gòu)刀具降低背向力效果較好,半圓凹型微織構(gòu)刀具最大背向力可降低14.0%,梯型槽微織構(gòu)刀具最大背向力可降低18.6%,當半圓凸型微織構(gòu)刀具的微織構(gòu)直徑大于8 μm時,二次切削作用超過了微織構(gòu)降低背向力作用,使背向力超過了無織構(gòu)刀具。
2)微織構(gòu)刀具能夠有效降低切削溫度,降溫效果是由刀-屑接觸面積、能耗等多種因素共同影響,3種微織構(gòu)刀具散熱效果依次為:半圓凸型微織構(gòu)刀具>梯型槽微織構(gòu)刀具>半圓凹型微織構(gòu)刀具。
3)微織構(gòu)刀具的減摩效果與刀-屑接觸面積成正比,3種微織構(gòu)刀具均能減小摩擦力,半圓凸型微織構(gòu)刀具減摩效果最佳,刀具所受摩擦力可減小27.7%。
4)綜合切削力、切削溫度及減摩效果來看,當半圓凸型微織構(gòu)的織構(gòu)直徑為4~8 μm時,其切削性能最佳。
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Finite Element Analysis on Cutting Performance and Friction Reduction Effect of Micro-Texture Tools
1,1,2,1
(1. Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Hunan Linghang Kechuang Education Science & Technology Company, Xiangtan 411100, China)
The work aims to study the effects of three different types of micro-textures on cutting performance of titanium alloy (TC4). Based on the finite element analysis software, the semicircular concave micro-texture, semicircular convex micro-texture and trapezoidal groove micro-texture were designed on the rake face of cemented carbide tool. The effects of micro-texture tool on radial thrust force, cutting temperature and friction force were studied by changing the micro-texture parameters, such as diameter or width, micro-texture spacing and covering length. Under the best micro-texture parameters, the radial thrust force of the semicircular concave micro-texture tool, semicircular convex micro-texture tool, and trapezoidal groove micro-texture tool was respectively reduced by 14.0%, 13.9%, and 18.6%. However, when the diameter of convex micro-texture was larger than 8 μm, the radial thrust force was greater than that of non-textured tool. The cutting temperature of three micro-texture tools was respectively reduced by 5.9%, 10.7% and 9.6%. The friction force of the three micro-texture tools was respectively reduced by 23.0%, 27.7% and 21.9%. Reasonable surface texture can improve the cutting performance of the tool. Trapezoidal groove micro-texture tool has the best effect of reducing radial thrust force. The semicircular convex micro-texture tool has the best effect of reducing cutting temperature and friction. With the increase of micro-texture diameter and spacing, the cutting performance of tools decreases firstly and then increases. And there are optimal texture parameters. In the range of the tool-chip contact length, the longer the textured covering length, the better the antifriction capability of micro-texture tool.
micro-texture; finite element simulation; titanium alloy; radial thrust force; cutting temperature; frictional characteristics
TG71
A
1001-3660(2022)02-0338-09
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.034
2021-05-02;
2021-07-21
2021-05-02;
2021-07-21
湖南省自然科學基金(2020JJ5178);湖南省教育廳科學研究資助(20A202,18A182);湖南省電磁裝備設(shè)計與制造重點實驗室開放基金(DC201901)
Supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (2020JJ5178); Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (20A202, 18A182); the Open Foundation of Hunan Key Laboratory of Design and Manufacture of Electromagnetic Equipment (DC201901)
劉偉(1986—),男,博士,副教授,主要研究方向為難加工材料高效精密智能磨削。
LIU Wei (1986—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: high efficiency, precision and intelligent grinding of difficult- to-cut materials.
劉偉, 劉順, 梁桂強, 等. 微織構(gòu)刀具切削性能及減摩效果的仿真分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 338-346.
LIU Wei, LIU Shun, LIANG Gui-qiang, et al. Finite Element Analysis on Cutting Performance and Friction Reduction Effect of Micro-texture Tools[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 338-346.