伍桂兵，周利平，劉小瑩，李凱

1西華大學機械工程學院；2成都醫(yī)學院

1 引言

隨著我國航空航天、汽車制造及精密電子等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對于關(guān)鍵部件材料的性能要求也越來越高。高硅鋁合金由于具有較小比重、較低熱膨脹系數(shù)、較高熱導率、良好的剛度及穩(wěn)定的化學性質(zhì)[1]，被廣泛運用在汽車關(guān)鍵配件、航空傳動件和傳感器載體等方面。但在高硅鋁合金加工過程中，其高熱敏感性以及硅顆粒嚴重影響刀具表面耐磨性和刀具使用壽命[2]。

國內(nèi)外學者從不同方向?qū)Φ毒叩牧W性能、耐磨性及壽命進行了優(yōu)化提升分析，目前主要從刀具涂層、刀具結(jié)構(gòu)、切削液和刀具材料等方面進行研究[3，4]。由于切削液不利于環(huán)保，且采用涂層、改變刀具材料與結(jié)構(gòu)會增加成本，因此，基于仿生學的微織構(gòu)技術(shù)逐漸獲得青睞，微織構(gòu)技術(shù)是利用激光技術(shù)在刀具刀面雕刻出特定紋路和圖案(見圖1)，該紋路可以改變刀具與工件的接觸面積、改變切屑的流動方向，有效減小黏結(jié)物，有利于提高刀具耐磨性和切削性能。

本文運用正交試驗法，基于Deform仿真軟件對微織構(gòu)刀具銑削高硅鋁合金進行磨損仿真，并通過加工試驗檢驗仿真數(shù)據(jù)的準確性，以此探究銑削CE11高硅鋁合金時不同尺寸微織構(gòu)植入刀具對其磨損的影響。

圖1 切削受力分析

2 微織構(gòu)摩擦理論

在切削過程中，刀具必須同時克服和切屑、工件摩擦變形產(chǎn)生的剪切力。作用于切屑的力可以分為兩個部分：刀具前刀面對切屑的壓力Fn和摩擦力Ff；作用于工件剪切面上的正壓力Fns與剪切力Fs。

如圖1所示，設(shè)刀具切削厚度、寬度和刀具前角分別是ac，aw，γo，可計算得到刀具切削剪切面的剖面積As=acaw/sinφ，假設(shè)工件材料剪切屈服強度是Zs，則切削加工時切屑剪切面受到的剪切力為

(1)

式中，F(xiàn)s為剪切力；As為實際接觸面積；φ為剪切角；τs為材料屈服強度。

由刀—屑雙區(qū)摩擦理論可知，前刀面和切屑的摩擦可分為滑動區(qū)間和黏結(jié)區(qū)間[5]。如圖2所示，假設(shè)圖中O點是刀尖，OB為刀—屑接觸面，則可以將OB劃分為滑動區(qū)間AB和黏結(jié)區(qū)間OA，而黏結(jié)區(qū)間內(nèi)摩擦剪切應力約等于材料的剪切極限應力，因而刀—屑摩擦應力為

(2)

式中，?為冪指數(shù)；lc為接觸長度。

由上式可得，刀具受到的剪切力與接觸面積和接觸長度有關(guān)，在設(shè)計微織構(gòu)刀具時，應通過減少刀具前刀面與切屑的接觸長度和有效接觸面積來改善刀具的切削性能。微織構(gòu)使刀—屑接觸面積以及摩擦產(chǎn)生的熱量降低，并且微織構(gòu)改變了切屑的流動方向，使切屑流出時被織構(gòu)邊緣二次切割[6]，有效減少了黏結(jié)物，從而改善了刀具和切屑之間的摩擦力。國內(nèi)外專家學者研究表明，橫向溝槽微織構(gòu)比縱向溝槽微織構(gòu)更能改善刀具磨損。因此，本文選擇橫向表面織構(gòu)[7]。

圖2 刀—屑接觸面應力特征

3 仿真設(shè)計

3.1 正交方案設(shè)計

因微織構(gòu)寬度和間距能夠改變刀具與工件的接觸面積和有效接觸長度，而間距大小會影響空氣流通量以及帶走的熱量，所以本文主要研究溝槽形微織構(gòu)寬度、間距和深度對銑刀切削性能和刀具磨損的影響，選擇微織構(gòu)寬度、間距和深度作為正交試驗三因素，并確定三水平變量進行正交試驗設(shè)計，最終因素水平設(shè)計如表1所示。三因素三水平正交試驗設(shè)計見表2。其中，第10組為無微織構(gòu)參照組。

表1 正交試驗因素水平 (μm)

3.2 建立工件和刀具模型及劃分網(wǎng)格

如圖3所示，在Solidworks軟件中建立一段長15mm左右的銑刀模型，材料選用GU20硬質(zhì)合金，然后導入Deform軟件。工件模型尺寸為100mm×10mm×10mm(見圖4)。通過查閱金屬切削手冊和依據(jù)經(jīng)驗，確定背吃刀量和側(cè)吃刀量均為8mm，銑削轉(zhuǎn)速n=3000r/min，進給速度f=1200mm/min。

表2 正交試驗設(shè)計 (μm)

圖3 銑刀模型

圖4 工件模型

刀具和工件模型都采用相對網(wǎng)格劃法，網(wǎng)格數(shù)設(shè)為50000個，并將網(wǎng)格尺寸比設(shè)為1(見圖5)。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.3 磨損仿真結(jié)果

將表2中的正交試驗數(shù)據(jù)代入Deform軟件中進行仿真。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 仿真試驗結(jié)果

運用Minitab軟件對前9組正交實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以擬合出關(guān)于微織構(gòu)參數(shù)(寬度、間距和深度)的刀具切削數(shù)學模型。

令A，B，C分別表示微織構(gòu)的寬度、間距和深度，對刀具磨損量進行回歸擬合分析，可得

M=0.0831+0.000698A+0.000020B-0.00189C

(3)

如表4所示，通過對刀具累積最大磨損量的預測模型進行方差分析可以得出，除寬度對回歸方程P值小于0.05，其他因素均大于0.05，因此預測模型是不顯著的，還需要對數(shù)據(jù)進行直觀分析得出相對最優(yōu)組合。

表4 刀具累計最大磨損量方差分析

對前9組實驗刀具累積磨損結(jié)果采用直觀分析法進行分析，刀具累積最大磨損量分析結(jié)果如表5所示。

表5 刀具累積最大磨損量直觀分析

由表5可得：①因素A(微織構(gòu)寬度)對刀具磨損的影響中A2水平最優(yōu)，即微織構(gòu)寬度為100μm時相較于其他兩組水平參數(shù)更能降低切削時工件對刀具的磨損；②因素C(微織構(gòu)深度)對刀具磨損的影響最重要，而且取C3(微織構(gòu)深度為70μm時)相對更能降低切削時工件對刀具的磨損；③因素B(微織構(gòu)間距)對刀具磨損的影響中B3水平最優(yōu)，即微織構(gòu)間距為150μm時相較于其他兩組水平參數(shù)更能降低切削時工件對刀具的磨損。

通過分析可以得出，微織構(gòu)寬度對刀具累積最大磨損量的影響最大，當微織構(gòu)寬度、深度、間距分別為100μm，70μm，150μm時，刀具的累積磨損最小，對延長使用壽命有一定積極作用。

4 刀具磨損試驗驗證

4.1 微織構(gòu)刀具制備及試驗設(shè)備

刀具材料為GU20硬質(zhì)合金，主要由90%碳化鎢和10%鈷黏結(jié)劑組成，采用激光打標，對刀具前刀面按照正交試驗參數(shù)制備微織構(gòu)(見圖6)。

試驗設(shè)備選用CNC-1270加工中心，工件采用Osprey Metal生產(chǎn)的CE11高硅鋁合金。磨損檢測設(shè)備選用INSIZE數(shù)碼測量顯微鏡。每組銑刀加工結(jié)束后，通過測量前刀面的磨損量來分析微織構(gòu)參數(shù)對刀具磨損的影響。具體試驗步驟為：將刀具放置在數(shù)碼顯微鏡下，變焦調(diào)距后觀察顯示器，選擇多點和刀具切削刃的距離進行測量，如圖7所示，定位后利用軟件依次測量多個點。

圖6 微織構(gòu)銑刀

圖7 磨損測量

4.2 試驗結(jié)果

多次測量磨損面寬度后，將計算結(jié)果的平均值作為刀具累積磨損值。測量值見表6。

表6 試驗仿真對照

通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，試驗/仿真的比值大約為7：1。試驗數(shù)值與仿真數(shù)值的相對誤差大約控制在0.85，分析誤差的存在可能與微織構(gòu)打標精度和試驗環(huán)境等因素有關(guān)，但大致規(guī)律與仿真相同，驗證了Deform軟件對微織構(gòu)刀具仿真的可行性。

5 結(jié)語

(1)在刀具表面加工出一定尺寸、形狀的微型結(jié)構(gòu)陣列能改變加工過程中刀—屑接觸面的摩擦情況，合理的微型結(jié)構(gòu)對減小刀具磨損和延長刀具使用壽命有重要意義。

(2)經(jīng)過Deform軟件對微織構(gòu)刀具進行磨損仿真分析，由試驗結(jié)果得出，微織構(gòu)寬度對刀具累積最大磨損量的影響最大，當微織構(gòu)寬度、深度、間距分別為100μm，70μm，150μm時，刀具的累積磨損量最小，對延長使用壽命有一定積極作用。

(3)對微織構(gòu)刀具磨損仿真結(jié)果進行可行性驗證，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗證了Deform軟件模擬微織構(gòu)刀具磨損情況的可行性與可靠性。