２０２１年２月
第４９卷第４期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ．２０２１
Ｖｏｌ ４９Ｎｏ ４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ ０４ ０３３
本文引用格式：吕娜．基于ＡＢＡＱＵＳ有限元仿真的硬质合金刀具磨损机制研究［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（４）：１６４－１６８． ＬＶＮａ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌｂａｓｅｄｏｎＡＢＡＱＵＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａ⁃
ｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（４）：１６４－１６８．
收稿日期：２０１９－１０－１７
作者简介：吕娜（１９８５ ），女，硕士，讲师，研究方向为机械制造㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｖｎａ１９８５＠１２６ ｃｏｍ㊂
基于ＡＢＡＱＵＳ有限元仿真的硬质合金刀具磨损机制研究
吕娜
（长春职业技术学院机电学院，吉林长春１３００００）
摘要：钛合金在切削过程中会产生严重的加工硬化现象，导致切削性下降㊁刀具磨损加剧，直接影响工件的加工质量㊂为研究钛合金切削性能和刀具磨损机制，利用ＡＢＡＱＵＳ软件建立了钛合金的有限元模型，对其切削过程进行仿真分析，研究硬质合金刀具磨损机制；设计Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金车削实验，研究不同加工参数对刀具磨损程度的影响规律㊂研究结果表明：在切削钛合金时，刀具的磨损主要发生在刀尖和后刀面位置，刀具的磨损长度随车削速度的增加而变大，随车削深度的增加而减小，随进给量的增加呈现出先减小后变大的情况，实验和仿真结果趋于一致，平均误差在６％以内㊂ 关键词：钛合金；硬质合金刀具；刀具磨损；有限元仿真中图分类号：ＴＨ１６
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＷｅａｒＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅＴｏｏｌＢａｓｅｄｏｎ
ＡＢＡＱＵＳＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＬＶＮａ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＪｉｌｉｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ，ｓｅｒｉｏｕｓｗｏｒｋｈａｒｄｅｎｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｗｉｌｌｏｃｃｕｒ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｄｅ⁃
ｃｒｅａｓｅｏｆｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅａｇｇｒａｖａｔｉｏｎｏｆｔｏｏｌｗｅａｒ，ａｎｄｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙａｎｄｔｏｏｌｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｆ
ｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡＢＡＱＵＳｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅＴｉ６Ａｌ４Ｖｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｒｎｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｗｅａｒｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｔｏｏｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｃｕｔｔｉｎｇｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ，ｔｈｅｔｏｏｌｗｅａｒｍａｉｎｌｙｏｃｃｕｒｓａｔｔｈｅｔｉｐａｎｄｂａｃｋｆａｃｅ．Ｔｈｅｔｏｏｌｗｅａｒｌｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｕｒｎｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｕｒｎｉｎｇｄｅｐｔｈ，ａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈ
ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｅｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ，ｗｉｔｈａｎａｖｅｒａｇｅｅｒｒｏｒｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ６％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ；Ｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌ；Ｔ
ｏｏｌｗｅａｒ；Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０㊀前言
随着航天航空领域的迅速发展，钛合金材料依靠其比强度高㊁耐热耐腐蚀以及抗氧化性能好等特点得到广泛的关注［１］㊂同时，钛合金由于较低的导热系数和弹性模量成为难加工材料，在加工过程中会造成切削区域温度升高，对刀具切削刃影响较大，一定程度
上限制了钛合金的应用和推广［２－
４］㊂
近些年，学者们对钛合金切削加工过程中出现的刀具磨损问题进行了广泛而深入的研究㊂周壮［５］对钛合金材料进行车削研究，通过仿真软件ＡＢＡＱＵＳ对刀尖的温度场进行了模拟，并以此为基础分析了金刚石刀具的磨损机制，对车削中车刀的粘结磨损㊁沟槽磨损㊁扩散磨损以及崩刃进行了分类㊂张葭［６］用涂层
刀具进行３０４钢钻削加工，分析了涂层对钻头磨损的改善效果以及涂层的失效机制，借助ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ仿真软件研究了加工中的温度和应力，并提出加工参数的优化选择㊂岳彩旭［７］利用ＰＣＢＮ刀具对模具钢进行车削，分析了前后刀面的磨损规律，并利用元素测量的方式分析了刀具的
磨损机制，借助车削实验研究了车削速度和进给量对刀具磨损的影响规律㊂黄亮［８］利用ＤＥＦＯＲＭ软件对金刚石切削过程进行了模拟，研究了不同冷却方式下切削温度的变化情况，为刀具磨损的研究提供了参考㊂宋海潮等［９］设计了硬质合金刀具高速铣削模具钢实验，借助扫描电镜和能谱分析方法研究了硬质合金刀具的磨损机制，研究工艺参数对刀具寿命的影响㊂
基于此，为进一步研究硬质合金刀具车削钛合金
时的耐用性能，提高加工后的表面质量和加工精度，利用ＡＢＡＱＵＳ软件建立硬质合金刀具车削钛合金的有限元模型，研究不同工艺参数条件下切削区域温度场和应力场的变化情况，分析刀具切削过程中的磨损机制，并通过钛合金车削实验，对刀具磨损理论模型的合理性进行验证㊂
１ 有限元仿真
１ １㊀建立几何模型
为降低刀具切削实验过程的经济成本，首先通过
有限元仿真方式对硬质合金刀具的磨损机制进行研究㊂如图１所示为利用有限元仿真软件ＡＢＡＱＵＳ建立的硬质合金刀具和钛合金工件的几何模型
㊂
图１㊀车削仿真几何模型
在加工中刀具磨损受到多方面因素的影响，主要为加工参数㊁加工环境㊁冷却条件以及机床设备等㊂
为了提高仿真结果的准确性，对ＡＢＡＱＵＳ仿真进行如下假设：（１）加工过程中不会发生崩刃等刀具损坏情况；（２）工件材料各向同性并且材质均匀，并且不会发生切削相变等情况；（３）车削加工中始终保持稳定状态，不会出现积屑瘤等情况㊂
１ ２㊀材料本构方程
车削加工中刀具磨损的主要因素包含了切削温度，因此使用在材料热软化㊁应变以及应变率方面具有强关联性的Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ模型作为本构方程，可表示为
σ＝Ａ＋Ｂεｎ
[]１＋ｃｌｎε㊃
ε㊃０æèçöø÷éëêêùû
úú㊃１－Ｔ－ＴｒＴｍ－Ｔｒæèçöø
÷ｍ
éëêêù
û
úú（１）
式中：σ为材料在加工中受到的流动应力；Ａ为材料的屈服强度；Ｂ为材料的极限强度；ｃ为应变敏感率；
ｎ为应变硬化指数；ｍ为温度敏感系数；ε㊃
０为参考应变速率；Ｔｒ为参考温度；Ｔｍ为材料的熔点㊂
模型的具体参数［１０］如表１所示㊂
表１㊀钛合金参数
参数Ａ／ＭＰａＢ／ＭＰａｃｎｍ参数值
８７５
７９３
０．０１１
０．３８６
０．７１
１ ３㊀接触属性设置
为研究车削加工中的刀具磨损情况，首先要定义硬质合金刀具和钛合金工件的接触属性㊂对于刀具和工件之间的接触方式，将法向的接触属性设置为 硬 接触；在切向方向，由于加工时二者之间的相互摩擦对切削力和切削温度的变化具有重要影响，根据库仑摩擦定律对摩擦因数进行设置，其表达式为
τｆ＝μσｎ㊀㊀㊀μσｎ＜τｍａｘτｍａｘ㊀㊀㊀μσｎȡτｍａｘ
缀花草坪
{
（２）式中：τｆ为接触面位置的摩擦剪切压力；σｎ为工件和刀具之间的正压力；τｍａｘ为接触面位置的最大摩擦剪切压力；μ为摩擦因数㊂
１ ４㊀材料失效准则
工件材料的失效方式采用剪切失效模型，当单元节点上的等效塑性应变值参数Ｄ超过１时，就可以判定工件发生失效分离，此处单元将被删除［９］㊂
Ｄ＝ðΔεｐｉ
εｐｆ（３）
式中：Ｄ为量纲一化的累计损伤参数；εｐｉ为瞬时塑性应变增量；εｐｆ为材料的失效应变㊂
１ ５㊀仿真及分析
图２所示为钛合金车削仿真，可以看出：随着硬质合金刀具和工件接触，刀具切削刃受到工件的冲击，在冲击作用下刀具表面出现应力集中㊂此时由于刀具进给速度不大，并没有出现崩刃等导致刀面损坏的情况，与实际加工基本一致
㊂
图２㊀钛合金车削仿真
随着刀具切削刃压入深度逐渐增加，工件基体受
到切削刃的作用产生弹性变形，当最大应力超过工件的最大强度极限后，材料和基体发生分离形成切屑㊂
图３所示为切削仿真中加工区域温度的变化㊂在切削过程中，第一切削区域内工件受到刀具的挤压产生较大的变形，单元格之间的扭曲变形十分严重，并且温度出现明显的升高；第二切削区域内受到加工时切屑变形的影响，温度在工件和刀具接触的位置出现最大值，若不进行冷却降温处理，会对硬质合金刀具的耐用性产生显著的影响；第三切削区域内刀具的后刀面和加工后的表面之间受到挤压和摩擦作用产生热
㊃５６１㊃第４期吕娜：基于ＡＢＡＱＵＳ有限元仿真的硬质合金刀具磨损机制研究
㊀㊀㊀
量，导致温度升高
硬质合金模具㊂
图３㊀工件和刀具温度仿真
图４所示为车削仿真中刀具和工件应力的变化㊂工件在第一切削区域和第三切削区域内受到的应力处于较高的水平，在第二切削区域内的应力水平略低，此时在工件内部应力梯度的变换十分平缓，没有
出现应力集中现象㊂相较于工件内部平稳的应力分布情况，此时在工具的切削刃和后刀面上应力较为集中，并且明显高于刀具其他位置的应力等级，在此位置将容易发生刀具磨损现象
㊂
图４㊀刀具和工件应力仿真
图５所示为刀具受切削温度影响而产生的磨损㊂可以看出：在切削加工时虽然切屑温度较高，但热量并没有有效地转移到前刀面上，此时前刀面受到温度的影响较小；而切削刃和后刀面处由于与工件充分接触，加剧了切削刃的磨损程度
㊂
图５㊀刀具磨损和温度仿真
图６所示为刀具受切削应力影响而产生的磨损㊂可以看出：切削刃处受到工件的挤压和划擦，表面应力集中现象十分明显并发生轻微的磨损，和切屑接触
的前刀面位置虽然存在应力升高情况，但此时并没有造成刀具磨损
㊂
图６㊀刀具磨损和应力仿真
２ 车削实验
为验证有限元仿真模型，设计了硬质合金刀具车削钛合金实验，如图７所示，使用高精密车床，工件材料为Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金棒料
㊂
图７㊀车削加工实验
实验前将棒料除去氧化层并加工至统一尺寸，实验过程中使用切削液对加工区域进行冷却和润滑，棒料车削长度和深度分别为５０㊁２ｍｍ，控制每组实验过程中工件的车削体积为定值，车削实验参数和仿真参数保持一致，加工参数如表２所示，每次实验后更换新刀具进行下一组实验㊂
表２㊀车削加工参数
编号车削速度／（ｍ㊃ｍｉｎ－１）车削深度／ｍｍ进给量／（ｍｍ㊃ｒ－１）
１－７
６０ １８００．２５
０．３８－１４
１２００．１５ ０．４５０．３
１５－２１
１２０
０．２５０．１ ０．４
㊀㊀实验结束后使用激光共聚焦显微镜对加工后的刀具形貌进行拍摄，并使用软件对后刀面的磨损长度进行测量㊂图８所示为硬质合金刀具车削加工后的表面磨损形貌㊂
㊃
６６１㊃机床与液压第４９卷
松香酸图８㊀硬质合金刀具磨损
从图８（ａ）中可以看出：切削刃和后刀面位置的磨损量最大，距离切削刃的位置越远磨损量越小㊂这是由于车削加工时刀尖最先和工件接触，此时强度较低的刀尖承受较大的应力，造成以刀尖为中心的区域迅速磨损，因而形成突出的硬质点压入刀具材料基体内部，在摩擦的作用下对刀具表面进行刻划，形成犁沟状划痕㊂从图８（ｂ）中可以明显观察到其他材料粘附在刀具表面，经超声清洗后黏接物仍无法有效去除；在刀具磨损平面存在一些不规则凹坑，说明加工过程中还存在着材料之间的粘接磨损㊂这是由于工件和刀具之间的相对速度较大，在强烈的摩擦和变形作用下导致温度升高，在工件材料导热率较低的情况下刀尖温度迅速升高进而达到工件的熔点，导致工件和刀具之间的原子相互吸
引而结合在一起，形成粘接磨损㊂
３㊀结果与分析
通过对实验后刀具的磨损形貌进行观察，可以看出在不同的工艺参数条件下硬质合金刀具的磨损量具有显著的区别，使用后刀面的磨损长度作为磨损量的评价指标进行具体评价分析㊂
（１）车削速度对刀具磨损的影响
图９所示为不同车削速度条件下，实验和仿真后硬质合金刀具磨损长度的变化情况㊂可以看出：以车削速度为单因素变量的实验和仿真中，整体上看刀具的磨损长度和车削速度之间呈正相关㊂当车削速度处于较低水平时，刀具的磨损长度几乎没有太大增长，这是由于较低的车削速度产生的切削热较少，可以通过工件和切削液得到有效扩散，降低了刀具发生粘接磨损的概率㊂当车削速度增大后，由于切削区域的热量传递到刀具表面，导致刀尖位置温度升高，降低了硬质合金刀具的强度并且加剧了工件和刀具之间的粘接磨损情况㊂对比实验和仿真结果，可以得出实验和理论之间的平均误差为４ １％左右㊂
（２）车削深度对刀具磨损的影响
图１０所示为不同车削深度条件下，实验和仿真后硬质合金刀具磨损长度的变化情况㊂可以看出：随
着车削深度的增加，硬质合金刀具的磨损长度整体上呈现出逐渐降低的趋势㊂在车削深度较小时属于加工硬化层中切削，对刀具的磨损造成显著的影响；随着车削深度的增加，切削刃逐渐远离硬化层，刀具磨损量平稳降低㊂实验和理论之间的平均误差为５ ６％左右
㊂
图９㊀刀具磨损长度和
车削速度的关系
㊀㊀图１０㊀刀具磨损长度和
车削深度的关系（３）进给量对刀具磨损的影响
图１１所示为不同进给量条件下，实验和仿真后硬质合金刀具磨损长度的变化情况㊂可以看出：随着进给量的增加，磨损长度呈现出先降低后升高的趋势㊂初期由于进给量的增加，
避免了刀具在加工硬化
图１１㊀刀具磨损长度和
进给量的关系
层内对工件进行切削，随
着刀具远离钛合金加工硬
化层，硬质合金刀具磨损
长度逐渐降低；之后进给
量继续增加造成切削刃温
度过高，减弱了刀具的强
度，从而加剧了刀具的磨
损㊂实验和理论之间的平
均误差为５ ７％左右㊂
４㊀结束语
本文作者首先通过ＡＢＡＱＵＳ软件建立了车削的仿真模型，从刀具的温度和应力角度分析了磨损机制，并进行了硬质合金刀具车削钛合金的实验，对理论模型进行了验证㊂主要得出以下几点结论：（１）在进行钛合金车削加工过程中，硬质合金刀具的磨损主要发生在刀尖和后刀面位置，磨损的基本方式为摩擦磨损和粘接磨损㊂
金属接线盒（２）当车削速度在１４０ｍｍ／ｍｉｎ以下时，刀具的磨损长度呈现出平稳波动的趋势，当车削速度大于１４０ｍｍ／ｍｉｎ时，磨损长度出现急剧增加的趋势；随着车削深度的增加，刀具磨损长度整体上呈现逐渐降低的趋势，在使用硬质合金刀具车削钛合金时应使用较大的车削深度；随着进给量的增加，刀具的磨损长度出现先降低后增加的情况，当进给量达到０ ２ｍｍ／ｒ时，刀具磨损量最低㊂
（３）通过对比实验和仿真模型的刀具磨损长度，可以得出两者之间的平均误差在６％以内㊂研究结果为刀具寿命预测以及切削参数的选取提供了参考㊂
㊃７６１㊃
第４期吕娜：基于ＡＢＡＱＵＳ有限元仿真的硬质合金刀具磨损机制研究㊀㊀㊀
参考文献：
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（上接第１８２页）
［１０］ＢＡＲＢＡＲＩＮＯＳ，ＳＡＡＶＥＤＲＡＦＬＯＲＥＳＥＩ，ＡＪＡＪＲＭ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｎｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙｓｗｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏｍｏｒｐｈｉｎｇａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１４，２３（６）：０６３００１．
荧光灯电子镇流器
［１１］ＭＩＮＯＲＯＷＩＣＺＢ，ＬＥＯＮＥＴＴＩＧ，ＳＴＥＦＡＮＳＫＩＦ，ｅｔａｌ．Ｄｅ⁃ｓｉｇｎ，ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｍｉｃｒｏ⁃ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｔｕａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｍａｇｎｅｔｉｃｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉ⁃ａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１６，２５（７）：０７５００５．
［１２］ＺＨＡＮＧＱＸ，ＦＵＱＨ，ＷＡＮＧＬＰ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄａｍｐｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｇ⁃
ｎｅｔｉｃｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ
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（责任编辑：张楠）
㊃８６１㊃机床与液压第４９卷
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