寧遠(yuǎn)威，許立福，黃樹濤，張玉璞，于曉琳

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

0 引言

1Cr17Ni2不銹鋼是在Cr17型不銹鋼的基礎(chǔ)上添加1.5%～2.5%Ni發(fā)展起來(lái)的[1]，屬于低碳馬氏不銹鋼，其碳含量范圍為0.1%～0.17%。在馬氏體型不銹鋼類中，1Cr17Ni2的強(qiáng)度和韌性搭配得極佳，且具有較高的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)1Cr17Ni2對(duì)特定濃度、特定溫度下的硝酸和部分有機(jī)酸類的氧化性酸類擁有較好的耐蝕性，因此廣泛應(yīng)用在輕工、紡織及制造硝酸等產(chǎn)業(yè)中，用來(lái)制造強(qiáng)韌性及耐腐蝕的軸及活塞桿等零件[2]。在航空航天領(lǐng)域內(nèi)，1Cr17Ni2不銹鋼常用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件、螺栓、螺母等關(guān)鍵零部件。在電廠水泵中適用于螺栓、擋套和軸套等零部件[3]。根據(jù)其金相顯微組織方向，1Cr17Ni2不銹鋼屬于馬氏體-鐵素體鋼，擁有組織穩(wěn)定性及抗中子輻照性能，在高負(fù)載的情況下依然保持其穩(wěn)定的力學(xué)性能[4]，通常用作核電站重要設(shè)備的材料。1Cr17Ni2不銹鋼擁有出色的高溫性能，400℃以下性能沒有大的變化，在高強(qiáng)度下該鋼的韌性和耐疲勞性能也很優(yōu)良。1Cr17Ni2在990～1050 ℃之間淬火，在275～350 ℃或600～650 ℃溫度之間回火，能夠獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能及抗晶間腐蝕性能[5]。

I.Korkut等[6]對(duì)AISI304不銹鋼進(jìn)行加工試驗(yàn)，得出當(dāng)切削速度提高到一定程度時(shí)，刀具磨損開始減輕，表面粗糙度開始減小，加工精度有所提升。S.S.Bedi等[7]在干式環(huán)境下對(duì)AISI304不銹鋼進(jìn)行切削加工，分析了不同的切削速度下刀尖溫度及切削力和后刀面的磨損。切削速度V=190 m/min時(shí)，切削分力達(dá)到最大值167 N，刀尖溫度峰值為88.9 ℃。T.Youssef等[8]對(duì)316L不銹鋼車削的表面粗糙度與切削力進(jìn)行預(yù)測(cè)，并獲得其本構(gòu)關(guān)系，分別使用涂層硬質(zhì)合金與金屬陶瓷刀片進(jìn)行加工，結(jié)果表明，涂層硬質(zhì)合金加工精度更高，金屬陶瓷刀片使用壽命更高。

王萌等[9]采用單因素切削實(shí)驗(yàn)方法研究硬質(zhì)合金車刀切削304不銹鋼的切削參數(shù)對(duì)顯微硬度的影響，結(jié)果表明，在切削深度一定時(shí)，在大進(jìn)給量和中等切削速度區(qū)域，不銹鋼304的顯微硬度值大。李建濤[10]切削2Cr13不銹鋼建立粗糙度的預(yù)測(cè)模型，通過響應(yīng)面優(yōu)化得出其最佳切削參數(shù)，利用實(shí)際加工證明其參數(shù)的正確性。大連理工大學(xué)的丁志超[11]對(duì)精密車削時(shí)的切削力建立預(yù)測(cè)模型并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，各切削分力的最大平均誤差不超過7.38%，證明了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

上海工程技術(shù)大學(xué)的馬猛[12]對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了仿真模擬，詳細(xì)介紹了仿真軟件AdvantEdge的使用技巧并分析了切削速度V、進(jìn)給量f、切削深度ap對(duì)主切削力和切削時(shí)刀尖溫度最大值的影響。同時(shí)用實(shí)驗(yàn)切削304不銹鋼與仿真比較，證實(shí)了仿真的正確性。并對(duì)表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明主切削力與表面粗糙度關(guān)系密切，同時(shí)也說(shuō)明選擇合適的切削參數(shù)極為重要。中北大學(xué)的王懷峰[13]使用AdvantEdge軟件對(duì)不同的難加工材料進(jìn)行三維車削仿真，得出切削深度對(duì)切削合力的影響最顯著，進(jìn)給量次之，切削速度、前角、刀尖圓弧半徑及主偏角對(duì)切削合力影響有限。

目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者從不同角度對(duì)不同牌號(hào)的不銹鋼研究較多，但對(duì)精密車削1Cr17Ni2不銹鋼的研究較少。由于切削力和切削溫度是影響加工質(zhì)量的重要要因素，因此本文通過AdvantEdge仿真軟件研究切削速度、切削深度對(duì)切削力和刀尖溫度峰值的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的借鑒。

1 有限元仿真模型的建立

1.1 二維切削有限元模型及網(wǎng)格劃分

本次仿真選擇二維切削，假設(shè)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，那么刀具對(duì)工件進(jìn)行切削時(shí)的狀態(tài)在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)都相同，基于進(jìn)給方向上切削刃的每點(diǎn)等效，這種狀態(tài)叫作平面應(yīng)變狀態(tài)，基于微分幾何原理將三維切削模型簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變模型，這樣既能準(zhǔn)確地觀察到整個(gè)切削過程的切削力變化，又能大幅度減少整個(gè)模型的計(jì)算和分析時(shí)間，提交工作效率。二維切削模型如圖1所示。設(shè)定工件長(zhǎng)度為5 mm，高度為2 mm。單位使用國(guó)際單位制（SI）。本次仿真刀具選擇Carbide-Grade-K。刀具前角取5°，后角取10°，刀尖圓弧半徑取0.05 mm。平面應(yīng)變厚度取0.25 mm。確定最小網(wǎng)格單元尺寸，切削深度和最小單元尺寸的比應(yīng)為10：1以上，故在切削深度為0.1 mm時(shí)，設(shè)置最小網(wǎng)格尺寸為0.01 mm，最大單元尺寸則選擇0.1 mm。當(dāng)切削深度為0.05 mm時(shí)，將繼續(xù)細(xì)化最小網(wǎng)格尺寸為0.005 mm。網(wǎng)格細(xì)化因子決定了網(wǎng)格細(xì)化至最小尺寸的速度，網(wǎng)格粗化因子決定網(wǎng)格粗化至最大尺寸的速度。網(wǎng)格細(xì)化因子越小，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量就會(huì)增多，仿真的結(jié)果就會(huì)更準(zhǔn)確，同時(shí)會(huì)加長(zhǎng)仿真的時(shí)間。默認(rèn)細(xì)化因子為1，細(xì)化因子數(shù)值越大越精密，由于本次仿真為精密切削，故將細(xì)化因子設(shè)置為4。粗化因子默認(rèn)為6，該值越小越精密，為了使仿真更加準(zhǔn)確，網(wǎng)格粗化因子設(shè)置為4。刀具的最大單元尺寸設(shè)為0.1 mm，刀具的最小單元尺寸為0.01 mm，網(wǎng)格梯度設(shè)置為0.4。初始溫度設(shè)置為20 ℃，進(jìn)行切削力及切削溫度的仿真。

圖1 二維切削有限元模型

1.2 工件材料

本文仿真的材料為1Cr17Ni2不銹鋼，因現(xiàn)有條件限制，無(wú)法獲得其具體模型參數(shù)。為使仿真結(jié)果相近，通過對(duì)比查閱資料發(fā)現(xiàn)15-5PH（H1100）與其相似，故采用牌號(hào)為15-5PH（H1100）的不銹鋼進(jìn)行仿真分析。兩種不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)如表1和表2所示。

表1 1Cr17Ni2不銹鋼和15-5PH（H1100）不銹鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 1Cr17Ni2不銹鋼和15-5PH（H1100）不銹鋼的力學(xué)性能

1.3 本構(gòu)模型及損傷函數(shù)

AdvantEdge軟件默認(rèn)Power Law模型，表達(dá)式為

式中：δ（εp，ε˙，T）為工件材料的流動(dòng)應(yīng)力，g（εp）為應(yīng)變強(qiáng)化函數(shù)，Γ（ε˙）為應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)，Θ（T）為熱軟化函數(shù)，ε˙為材料變形的過程的應(yīng)變率，T為材料變形過程的溫度。損傷函數(shù)D表達(dá)式為

1.4 仿真方案（如表3）

2 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響研究

采用AdvantEdge進(jìn)行仿真，得到不同切削用量下的切削力原始信號(hào)，F(xiàn)X為主切削力，F(xiàn)Y為切深抗力。圖2為切削力的原始信號(hào)圖。為了研究各種切削參數(shù)對(duì)切削力的變化規(guī)律，提取AdvantEdge軟件中的切削力原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到切削力-時(shí)間曲線并進(jìn)行分析。原始力數(shù)據(jù)文件名為-ft.tec，將原始力進(jìn)行濾波，以去除高頻噪聲，過濾后的文件名應(yīng)由原來(lái)的ft.tec改為-fft.tec。進(jìn)入后處理模塊，點(diǎn)擊Time History 模塊Polynomial Fit顯示濾波后的切削力。由圖3可以清楚地看出，整個(gè)切削階段分為初始切削階段和穩(wěn)定切削階段。當(dāng)?shù)毒邉偨佑|到轉(zhuǎn)動(dòng)的工件時(shí)，各個(gè)切削分力迅速增長(zhǎng)，這段時(shí)間為初始切削階段。當(dāng)各切削分力均達(dá)到穩(wěn)定，切削力不再急劇變化時(shí)，稱為切削穩(wěn)定階段。本文選取穩(wěn)定切削階段進(jìn)行分析，研究切削參數(shù)對(duì)切削力及溫度的影響，以減小誤差。

圖2 切削力原始信號(hào)

圖3 濾波后切削力隨時(shí)間變化曲線

圖5 不同切削速度下切削力變化規(guī)律

2.1 切削速度對(duì)切削力的影響

AdvantEdge軟件可以仿真出切削分力，并通過計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得出切削合力F。在僅改變切削速度的仿真試驗(yàn)中，設(shè)定切削深度為0.1 mm，仿真得出切削力，如圖4所示。

2.2 切削深度對(duì)切削力的影響

當(dāng)切削速度為40 m/min時(shí)，仿真獲得不同切削深度下的切削分力大小（如圖6），并計(jì)算出切削合力。

圖6 不同切削深度下的切削力隨時(shí)間變化仿真結(jié)果

圖7所示為不同切削深度下的切削力的折線圖。隨著切削深度的增大，主切削力近似線性增大，切深抗力的增

圖7 不同切削深度下切削力的變化規(guī)律

圖5 所示為不同切削速度下切削力的折線圖?？梢钥闯鲋髑邢髁Υ笥谇猩羁沽?。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)切削速度增大時(shí)，切削合力、主切削力和切深抗力大小幾乎不變。除了切削力影響加工精度外，還需要考慮切削速度對(duì)工件溫度的影響，切削速度增加的同時(shí)也更容易引起振動(dòng)。在加工細(xì)長(zhǎng)軸類等難加工零件時(shí)，還需考慮系統(tǒng)的剛度及機(jī)床轉(zhuǎn)速對(duì)工件的離心力。故在精密切削時(shí)，在合理的范圍內(nèi)盡量選取較高的切削速度，以達(dá)到高效加工的目的。長(zhǎng)速率小于主切削力。這是因?yàn)榍邢骱穸仍龃蟮耐瑫r(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量亦增大，摩擦力亦隨之增大，故切削力變大。在精密切削時(shí)，切削深度對(duì)切削力的影響較大，而切削力是影響加工精度的重要因素，因此，為保證加工表面質(zhì)量，應(yīng)選取較小的切削深度。

3 切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響規(guī)律

3.1 切削速度對(duì)切削溫度的影響

使 用AdvantEdge 軟件進(jìn)行仿真分析，仿真得到不同切削速度下的切削溫度云圖，如圖8所示。圖9為刀尖溫度峰值隨時(shí)間變化的曲線圖。

圖8 不同切削速度下的切削溫度云圖

圖9 刀尖溫度峰值隨時(shí)間變化曲線

切削過程中刀具溫度呈帶狀分布向外擴(kuò)散，且隨著距離刀尖的位置越遠(yuǎn)，溫度越低。刀尖溫度峰值的變化亦能體現(xiàn)切削溫度變化趨勢(shì)。圖10為刀尖峰值溫度隨切削速度變化的折線圖。當(dāng)切削速度V增大時(shí)，刀尖溫度峰值呈上升的趨勢(shì)。這是由于切削速度的增加使得單位時(shí)間內(nèi)工件切除量增大，刀具與切屑間的摩擦熱增多，但上升趨勢(shì)產(chǎn)生些許變緩。這是由于增加切削速度時(shí)，切屑溫度亦隨之增加，而切屑帶走了部分的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致刀具的溫度峰值升高近乎呈線性增長(zhǎng)，但略有下降。

圖10 切削速度對(duì)刀尖溫度峰值的影響規(guī)律

3.2 切削深度對(duì)切削溫度的影響

當(dāng)切削速度為40 m/min，進(jìn)而仿真獲得在不同切削深度下的刀尖切削溫度峰值云圖（如圖11），并統(tǒng)計(jì)刀尖溫度峰值（如圖12）。

圖11 切削深度對(duì)刀尖溫度峰值的影響規(guī)律

圖12 刀尖溫度峰值隨時(shí)間的變化曲線仿真結(jié)果

圖13為刀尖溫度峰值隨切削深度變化的折線圖。由圖可以直觀地發(fā)現(xiàn)，增大切削深度的同時(shí)，刀尖溫度峰值亦增大，但增長(zhǎng)速率逐漸降低。這是由于切削深度增大時(shí)，單位時(shí)間里切削量增長(zhǎng)，加工過程中的切削力增加，導(dǎo)致切屑與前刀面的摩擦增大，使得切削溫度增加。而切屑厚度增大，使得切屑帶走更多溫度，故當(dāng)切削深度增大時(shí)，刀尖溫度峰值亦會(huì)逐漸增大且變緩。

4 結(jié)論

本文基于AdvantEdge-FEM仿真軟件，建立切削模型，對(duì)1Cr17Ni2不銹鋼進(jìn)行二維切削仿真分析，研究切削參數(shù)對(duì)切削力及切削溫度的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：1）切削力方面。切削速度對(duì)切削力的影響不顯著，主切削力隨切削深度的增大而近乎呈線性增大，徑向力亦隨之增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速率小于主切削力。2）切削溫度方面。在切削過程中，刀尖溫度大于前刀面溫度，增加切削速度的同時(shí)，刀尖溫度峰值亦隨之增大，近乎呈線性增長(zhǎng)；隨著切削深度的增加，刀尖溫度峰值亦會(huì)逐漸增大且變緩，是由于切削深度增大使得散熱面積增大，且切屑的增大亦會(huì)帶走部分熱量。