优化设计的涂层硬质合金车刀磨损仿真研究

2021年4月
第49卷第7期
机床与液压
MACHINETOOL&HYDRAULICS
Apr.2021
Vol 49No 7
DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2021 07 027
本文引用格式:蒋宏婉,任仲伟,陈伟专,等.优化设计的涂层硬质合金车刀磨损仿真研究[J].机床与液压,2021,49(7):141-145.
JIANGHongwan,RENZhongwei,CHENWeizhuan,etal.Simulationresearchonwearofoptimumdesigncoatedcar⁃
bideturningtools[J].MachineTool&Hydraulics,2021,49(7):141-145.
收稿日期:2019-12-20
基金项目:贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字[2018]248);贵州理工学院高层次人才科研启动基金项
目(2018072)
作者简介:蒋宏婉(1988 ),女,博士,副教授,研究方向为难加工材料刀具设计及其失效机制等㊂E-mail:jhw 969@
163 com㊂
优化设计的涂层硬质合金车刀磨损仿真研究
蒋宏婉1,2,任仲伟1,陈伟专2,邹中妃1
(1 贵州理工学院机械工程学院,贵州贵阳550003;2 广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)
摘要:金属切削过程中,刀具磨损对刀具寿命有着显著影响,而切削试验是研究刀具磨损的常用方法,但是存在周期长㊁成本高等问题㊂因此,通过切削仿真平台对优化设计的涂层硬质合金车刀在切削过程中磨损情况进行对比研究㊂结果表明:优化设计车刀较原车刀最大磨损深度下降37 64%,平均磨损深度下降38 15%㊂研究成果为该涂层硬质合金车刀的进一步优化奠定理论基础,为其他金属切削过程刀具磨损的仿真研究提供参考㊂
关键词:优化设计;涂层硬质合金车刀;磨损;仿真研究中图分类号:TG712寿山石部落
SimulationResearchonWearofOptimumDesignCoatedCarbideTurningTools
JIANGHongwan1,2,RENZhongwei1,CHENWeizhuan2,ZOUZhongfei1
(1 SchoolofMechanicalEngineering,GuizhouInstituteofTechnology,GuiyangGuizhou550003,China;
2 SchoolofElectromechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,
GuangzhouGuangdong510006,China)
Abstract:Inmetalcuttingprocess,toolwearhasasignificantimpactontoollife.Cuttingexperimentisacommonmethodfortoolwearresearch,buttherearesomeproblemssuchaslongcycleandhighcost.Therefore,thewearoftheoptimumcementedcarbideturningtoolinthecuttingprocesswascomparativelystudiedthroughthecuttingsimulationplatform.Theresultsshowthatcomparedwiththeoriginaltool,themaximumweardepthoftheoptimizedtoolisdecreasedby37 64%,andtheaverageweardepthisdecreasedby38 15%.Theresearchresultsprovidetheoreticalsupportforthein⁃depthstudyofoptimumdesigncementedcarbideturningtools,andprovidereferencefortoolwearsimulationresearchinothersimilarmetalprocessingprocesses.
Keywords:Optimumdesign;Coatedcarbideturningtools;Wear;Simulationresearch
0㊀前言
刀具磨损作为刀具失效的主要形式,一直都是刀具切削性能的重要评价指标,国内外许多学者对刀具磨损展开研究并获得一定成果㊂ZOU等[1]通过切削试验对自主研发的硬质合金微坑车刀磨损进行了研究,发现微坑车刀前㊁后刀面磨损情况较原车刀有了较明显改善㊂JIANG等[2]基于切削试验,同时借助观测设备对自主研发的硬质合金微槽车刀磨损机制进行研究,发现微槽车刀主要磨损原因为磨粒磨损和扩散磨损㊂陈涛等人[3]利用高速摄影法,对渐变强化刃和定值倒棱2种结构的PCBN刀具的磨损情况进行对比分析,结果表明定值倒棱的磨损带相对集中,而渐变强化刃刀具磨损带则更为狭长㊂WANG等[4]重点研究了在钛合金微铣削过程中硬质合金刀具磨损对加工
表面质量和切屑成形过程的影响,通过研究揭示刀具磨损过程中,微屑锯齿状的形成机制㊂MA等[5]结合几何学和运动学分析,建立脆性材料车刀(如硬质合金)磨损量模型,并进行了试验研究,研究结果表明:随着切削用量的增大,刀具磨损量先增大后减小到临界值,刀具磨损量对切削速度敏感性最高㊂ZHANG等[6]通过一系列试验,重点研究切削工艺参数对金刚石刀片磨损特征的影响规律,并通过微观形貌研究了金刚石刀片的磨损机制,最后建立了金刚石刀片耐磨性预测模型㊂WANG等[7]充分考虑硬质合
金刀具磨损的影响,建立刀具磨损量与总功耗之间的定量关系㊂廖海平等[8]利用实体模型与三维点云数据混合处理技术获得刀具磨损区域的三维模型,从而获得刀具磨损前后谱变化情况㊂郭世柏等[9]研究了不
同沟槽参数对织构刀具切削钛合金过程刀具切削性能的影响,发现沟槽织构有利于改善刀具月牙洼磨损㊂以上研究或关注硬质合金刀具磨损优化方法,或关注刀具磨损试验研究,或侧重刀具磨损量模型的建立,或聚焦难加工材料磨损机制的试验研究,或关注刀具磨损程度检测方法等,鲜有对自主研发的硬质合金车刀开展刀具磨损仿真的研究,而硬质合金刀具磨损仿真研究对此类刀具的进一步改进优化有着重要影响㊂
本文作者基于切削仿真平台,对优化设计的涂层硬质合金车刀和优化前原车刀在相同切削过程中的磨损情况进行对比研究㊂研究成果为该涂层硬质合金车刀的进一步优化奠定理论基础,为其他金属切削过程
刀具磨损的仿真研究提供参考㊂
1㊀有限元模型的建立
该有限元仿真研究对象是成都工具研究所有限公司提供的高强合金钢40CrMnMo专用涂层硬质
合金车刀(下称 原车刀 )和优化研发的涂层硬质合金微槽车刀(下称 优化车刀 ),优化车刀是在原车刀基础上于前刀面置入微槽,其余参数均一致,具体参见文献[2],工作角度如表1所示㊂仿真切削用量为:vc=110m/min㊁f=0 4mm/r㊁ap=2mm(生产实际推荐用量),刀具和工件材料热物性参数及刀具涂层分布情况分别如表2和表3所示,有限元仿真相
关主要设置如图1所示[10-
11]㊂
唐山pm2.5表1㊀刀具工作角度
刀具角度名刀尖角εr
前角γ0后角α0
主偏角Kr
副偏角Kᶄrpe正能量
刃倾角λs
角度值/(ʎ)
150
-10
27.5
2.5
表2㊀刀具和工件材料热物性参数
材料密度/(g㊃cm-3
抗拉强度/MPa抗弯强/MPa
硬度泊松比弹性模量/GPa导热系数/
(W㊃m-1㊃ħ-1)
P20(刀具)
13.8784.5
ȡ1180
HRA91.80.23540 6003440CrMnMo(工件)
7.85
1080/
HRC30
0.28
230
37
表3㊀刀具涂层材料(由里向外)
序号涂层材料涂层厚度/μm
1TiN
12TiCN53TiN14
Al2O3
图1㊀有限元仿真条件设置
林州地震根据该切削过程实际工况特征㊁刀具和工件材料热物性能等因素,确定切削仿真过程的关键理论模型㊂流动应力模型采用Zener-Sellars模型,如式(1)所示:
短蛸σ=(ε,ε㊃
,T0)
(1)
式中:σ为流动应力;ε为等效塑性应变;ε㊃
为等效塑性应变率;T0为绝对温度㊂
断裂准则采用NormalizedCockcroft&Latham准则,如式(2)所示:
ʏ
ε0
σ∗σ
dε=C1(2)
其中:εf为总塑性应变;σ为等效应力;σ∗为最大主应力;C1为断裂阈值(材料常数)㊂
屈服准则采用VonMises准则,如式(3)所示:τoct=C2(3)其中:τoct为材料剪应力;C2为与材料性质有关㊁与应力状态无关的常数㊂
刀具磨损模型采用Usui磨损模型,如式(4)所示:
w=ʏ
apve-
b/Tdt
(4)
其中:p为界面压力;v为滑移速度;T为界面温度;a㊁b为试验校准系数㊂
界面摩擦模型采用剪切摩擦模型,如式(5)所示:
τ=μ㊃τs0(5)其中:τ为界面摩擦剪应力;μ为界面摩擦因数(此处取0 4);τs0为剪切屈服强度㊂
基于式(1) 式(5)所述的理论模型,再通过修正的拉格朗日算法和局部网格重划分技术对该切削过程进行有限元仿真,重点监控该过程刀具的磨损深度㊁磨损率和界面压应力情况㊂在该仿真过程中,存在以下假设:(1)刀屑接触区的摩擦因数为常数;(2)刀屑界面与周边介质进行均匀换热;(3)工件固定,刀片围绕工件轴心做回转运动㊂在刀具几何物理模型的基础上按顺序添加涂层的几何物理属性,对刀屑接触近域实现动态局部细化网格,最终建立优化前后两车刀有限元模型如图2所示㊂
241㊃机床与液压第49卷
图2㊀两车刀有限元模型
2 仿真结果与数据处理
基于所建立的有限元模型,经过求解器求解分析和结果后处理,得到仿真分析结果㊂对优化车刀和原车刀进行完全相同的车削仿真,在整个切削过程均匀
设置20个采样点,在每个采样点采集该瞬时的刀具
切削区最大磨损深度㊁最大磨损率和最大界面压应力㊂图3所示为两车刀整个切削过程中20个采样点的切削区最大磨损深度对比曲线㊂图4和图5分别为优化车刀和原车刀切削初期㊁切削中期和切削后期切削区相应的磨损深度分布云图
图3㊀
两车刀切削区最大磨损深度
图4㊀
优化车刀切削区磨损深度分布情况
图5㊀原车刀切削区磨损深度分布情况
㊀㊀图6为切削试验获得的两车刀相同切削量下前刀
面切削区磨损情况㊂
图6㊀切削试验中两车刀切削区磨损分布情况
㊃341㊃第7期蒋宏婉等:优化设计的涂层硬质合金车刀磨损仿真研究
室外给排水㊀㊀㊀
㊀㊀可见:原车刀切削区磨损情况较严重,形成一条明显的狭长且深入的磨损带如图6(b)所示,优化车刀则在刀尖附近和微槽内边缘局部出现磨损情况,且深度明显小于原车刀磨损带深度如图6(a)所示㊂对比图4㊁图5和图6发现,在相同的切削工况下,切削试验所获得的两车刀切削区磨损分布情况与切削仿真结果高度吻合(图6(a)与图4(c)对应,图
6(b)与图5(c)对应),主要存在差异的地方是优化车刀刀尖附件的磨损情况在仿真结果中没有体现,这可能与仿真前处理中的对刀误差密切相关㊂因此,可认为该仿真模型可靠性较高,仿真结果有较大参考价值㊂
图7所示为两车刀整个切削过程20个采样点的切削区最大磨损率对比曲线㊂图8和图9分别为优化车刀和原车刀切削初期㊁切削中期和切削后期切削区相应的磨损率分布云图
图7㊀
两车刀切削区最大磨损速率
图8㊀
优化车刀切削区磨损速率分布情况
图9㊀原车刀切削区磨损速率分布情况
㊀㊀图10和图11分别为优化车刀和原车刀切削初
期㊁切削中期和切削后期切削区相应的界面压应力分
布云图㊂图12所示为两车刀整个切削过程20个采样点的切削区最大界面压应力对比曲线
图10㊀
优化车刀切削区界面压应力分布情况
图11㊀原车刀切削区界面压应力分布情况
441㊃机床与液压第49卷
图12㊀两车刀切削区最大界面压应力
3㊀仿真试验对比分析
由图3可看出,随着切削过程的进行,两车刀切削区最大磨损深度随之增大,而优化车刀最大磨损深度明显小于原车刀,且两者差值随着切削时间增加而不断增大,到切削后期退刀时达到最大值0 0201
mm,优化车刀最大磨损深度降幅达37 64%㊂由图4和图5可知:优化车刀在切削初期仅刀尖和主切削刃附近发生磨损,到切削中期,磨损区扩大到优化设计的微槽底面和内壁的局部,到切削后期,车刀磨损区进一步扩展覆盖了微槽底面和内壁的大部分区域,且在微槽内边缘出现局部深度磨损㊂
由图7可知:在切削初期和后期,两车刀切削区最大磨损率相差不大,优化车刀稍低,而在切削中期,优化车刀磨损率波动较大,出现了某一瞬时的最大磨损率突增,原车刀在整个切削过程最大磨损率都相对平稳㊂两车刀在几何结构上唯一的区别就是有无优化微槽,由此可知,优化车刀微槽的置入
增加了车刀切削区瞬时最大磨损率的波动性㊂再结合图8和图9可知:原车刀比优化车刀更早出现磨损,且分布范围明显宽于优化车刀㊂
瞬时最大界面压应力对刀具磨损产生直接影响,尤其是对磨损率㊂综合对比图10 图12与图7 图9发现:两车刀界面压应力和磨损率变化趋势和差异情况有较大相似㊂由图10 图11可以看出:切削初期和后期两车刀相差不大,只在切削中期,优化车刀的最大界面压应力发生明显波动,并高于原车刀;原车刀比优化车刀更早出现瞬时界面压应力,且分布范围明显广于优化车刀㊂
基于以上后处理结果,可进一步得到两车刀切削区平均磨损深度㊁平均磨损率和平均界面压应力如图13所示㊂可知:优化车刀切削区平均磨损深度亦明显低于原车刀,降幅达38 15%,但是由于微槽的置入,导致优化车刀相较于原车刀平均瞬时磨损率和平均瞬时界面压应力出现较大增加,增幅达79 59%和74 28%㊂这是因为微槽的置入增加了线接触的微槽边缘,进而明显增加了瞬时界面压应力和瞬时磨损率,但是最终产生的刀具切削区磨损深度又因微槽的置入而明显下降㊂这样的变化使得优化车刀对于切削系统稳定性的要求进一步提高,因为只有提高系统稳定性才能降低该车刀出现崩刃的风险
图13㊀两车刀平均磨损参数
4㊀结论
通过以上研究,总结得到以下结论:(1)通过试验,验证了基于修正的拉格朗日算法和局部网格重划分技术切削仿真模型具有较高可靠性㊂优化车刀切削区最大磨损深度和平均磨损深度均因微槽的置入得到明显改善,相较于原车刀降幅分别为37 64%和38 15%,这对于车刀的使用寿命具有积极作用㊂
(2)优化设计微槽的置入也带来了车刀切削区瞬时磨损率和瞬时界面压应力的增加,相较于原车刀增幅分别为79 59%和74 28%,使得优化车刀对于切削系统稳定性的要求提高,以防止崩刃现象的出现㊂参考文献:
[1]ZOUZF,HEL,JIANGHW,etal.Developmentandanal⁃ysisofalow⁃wearmicro⁃groovetoolforturningInconel718[J].Wear,2019,420/421:163-175.
[2]JIANGHW,HEL,RENZW,etal.Wearmechanismofthelooselayerontherakefaceofanewcementedcarbidemicrogrooveturningtool[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2018,98(5/6/7/8):1069-1080.
[3]陈涛,宋立星,李素燕,等.渐变强化刃刀具硬切削过程切屑流动和刀具磨损研究[J].机械工程学报,2019,55(19):195-200.
CHENT,SONGLX,LISY,etal.Researchintochipflowandtoolwearinhardcuttingusingtoolwithvariablestrengtheningedge[J].JournalofMechanicalEngineering,2019,55(19):195-200.
[4]WANGYS,ZOUB,WANGJC,etal.Effectoftheprogres⁃sivetoolwearonsurfacetopographyandchipformationinmicro⁃millingofTi-6Al-4VusingTi(C7N3)-basedcer⁃metmicro⁃mill[J].TribologyInternational,2020,141:105900.
[5]MALJ,SUNZC,ZHANGL,etal.Studyonmechanismandtheoreticalmodeloftoolwearinfluorophlogopiteglass⁃ceramicsturning[J].JournalofMaterialsProcessingTech⁃nology,2020,275:116284.(下转第127页)
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第7期蒋宏婉等:优化设计的涂层硬质合金车刀磨损仿真研究㊀㊀㊀

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