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高速切削GCrl5切削力的仿真與實驗研究

2017-1-12 來源：鄭州科技學院機械工程學院作者：邱慧，班新星，紀蓮清，王明義

摘要：應用Deform．3D軟件建立刀具一工件三維有限元模型，研究了PCBN刀具高速切削GCrl5淬硬鋼的切削機理，得出不同切削參數下切削力的變化規(guī)律，通過對模擬結果進行分析獲得了最優(yōu)切削參數。在最優(yōu)切削參數下進行切削實驗，結果發(fā)現：在切削深度和進給量不變的情況下，不同切削速度下的切削力模擬值與實驗值變化趨勢是一致的，并且其誤差不超過10％，這表明利用Deform-3D有限元軟件建立三維切削模型可以有效模擬PCBN刀具高速切削GCrl5軸承鋼的切削過程。

關鍵詞：有限元模擬；高速切削；超硬刀具；切削力

0.引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，簡稱PCBN)作為超硬刀具材料，具有良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性?，普遍應用于淬硬鋼、冷硬鑄鐵及其它高硬黑色金屬的高速切削加工舊J，并且隨著數控機床等自動加工設備的廣泛應用，使用PCBN刀具以硬態(tài)切削替代磨削工藝已成為加工淬硬軸承鋼的新途徑。GCrl5是一種最常用的高鉻軸承鋼，經過淬火加回火后具有較高的硬度，其硬度可達HRC60—62，主要應用于制作各種軸承套圈和滾動體，屬于難加工材料行列Ho。近年來，國內外很多學者對PCBN刀具高速切削GCrl5的過程進行了研究分析p剖，主要集中在PCBN刀具的磨損機理、刀具幾何參數、GCrl5表面粗糙度、切屑形成機理、殘余應力、表面白層等方面，而針對PCBN刀具高速切削GCrl5切削力的研究較少。文中通過使用有限元軟件Deform．3D，系統研究了PCBN刀具高速切削GCrl5時削參數對切削力的影響，得到了切削力隨切削參數的變化規(guī)律，并通過切削實驗進行驗證。

1.材料與模型

1．1刀具材料

在硬態(tài)車削加工中，由于低含量CBN刀具比高含量CBN刀具擁有較高的抗沖擊性能和刀具耐用度一]，并且具有更好的加工表面質量，通常采用CBN含量較低的PCBN刀具，其機械性能如下：彈性模量587GPa；密度4280kg／m3；泊松比0．15；比熱容750J／kg·℃；熱傳導系數44W／m·oC；熱膨脹系數4．7×10“／℃。本實驗所用的PCBN刀具幾何參數為刃傾角A，為0。，前角7。為0。，后角僅。為6。，刃口鈍圓半徑。為0．4mm。

1．2工件材料

高鉻軸承鋼GCrl5具有高淬透性，經熱處理后可獲得硬度為62HRC，屬于典型的難加工材料¨0l，其物理力學性能如下：楊氏模量217GPa；密度7850kg／m3；熔點1487℃；泊松比0．3；熱傳導系數39W／m·℃；熱膨脹系數14．4 X 10～／。C。

1．3材料的本構模型

目前，在應用計算機軟件進行模擬時，廣泛使用的本構模型是Johnson—Cook模型，它能夠很好的描述大部分金屬在大變形、高應變率和高溫條件下的材料本構行為，其表達式為：

1．4材料的失效模型

Johnson—Cook模型以等效塑性應變作為材料的斷裂原則，提出以下材料失效模型：

2.切削模擬

2．1切削模擬參數選擇

為0．05、0．10、0．15、0．20、0．25mm／r，切削深度口。為0．1、0．15、0．2、0．25、0．3mm。

2．2切削力模擬結果及分析

切削力是切削過程中重要的物理參數之一，它的大小不僅影響加工工藝系統，還影響著工件的加工質量和加工精度¨6|。因此，研究加工過程中切削參數對切削力的影響規(guī)律，可以為高速切削加工中切削參數的選擇提供科學的理論依據。

在模擬過程中，切削力并非是穩(wěn)定不變的，而是在某一平衡值附近上下振蕩，這與實際切削過程中切削力的變化是一致的。造成這種現象的原因是，在實際切削中，隨著刀具剛接觸工件，材料會先產生彈性變形，接著工件材料內部的晶格進行滑移并發(fā)生塑性變形，此時切削力增大；隨著刀具的繼續(xù)前進，在切削刃附近會出現應力集中，當材料的金屬剪應力超過強度極限時，切屑就被剝離，此時切削力會相應隨之降低。此過程周而復始，因次切削力曲線為一定范圍內的振動波，如圖l所示。將切削力以文本格式進行輸出，然后求其均值即可得出模擬切削力大小。

2．2．1切削速度對切削力的影響

進給量．廠和切削深度n。分別為0．05mm／r、0．1rain，切削速度與切削力之間的關系如圖2所示。切削速度從100m／min增加到220m／min，進給分力F，和徑向抗力F：變化非常小，上下浮動大約在1N左右，而主切削力F。的變化相對較大，最大浮動達到11N。當切削速度從100m／rain增加到180m／min時，進給分力F，和徑向抗力t隨著切削速度的增加而略有增加，但變化并不是很明顯，上下浮動不超過0．1N；主切削力F。隨著切削速度的增加而增大，增大幅度達到7．2N，這主要是因為主切削力F，垂直于基面，與切削速度的方向一致。當切削速度從180m／min增加到220m／min，進給分力t和徑向抗力t隨著切削速度的增加而略有減小，主切削力F，隨著切削速度的增加而降低．

2．2．2進給量對切削力的影響

切削速度穢和切削深度a。分別為150re／rain、0．1mm，進給量與切削力之間的關系如圖3所示。進給分力t、徑向抗力t和主切削力t都隨著進給量的增加而增加，切削合力也隨著進給量的增加而增加在刀具切削時，三個切削分力中主切削力F，是最大切削分力，對切削合力起主導作用，進給量廠的改變引起最大變化的切削分力是主切削力，所以進給量，的改變也使得切削合力發(fā)生巨大變化。當進給量從0．05mm／r增至0．25mm／r時，切削合力從66．8N增大到191．1N。3

2．2．3切削深度對切削力的影響

切削速度穢和進給量，分別為150m／rain、0．1mm／r，切削深度與切削力之間的關系如圖4所示。切削深度％對切削力的影響最大，％每增加一倍，切削力也增大一倍。這是因為切削深度a。增大，切削面積A。成正比增加，彈塑形變形總量及摩擦力增加，而單位切削力不變，因而切削力成正比增加。當切削深度從0．1mm增加到0．3mm時，切削合力從94．7N增加到283．5N，可見，在切削用量中，切削深度對切削力的影響最大。

綜上所述，從模擬結果中可以看出，切削深度％對切削力的影響最大，進給量廠次之，切削速度移最小。切削力隨著切削深度1／,。的成倍增加而成正比增加，這是因為切削深度a。增大，切削面積A。成正比增加，摩擦力及彈塑形變形總量也相繼成正比增加；進給量廠對切削力的影響次之，切削面積A。隨著進給量，增大也相應增加，但是其變形程度減小，致使單位切削力下降，因而切削力并不隨著，成倍增加而增加；切削速度口對切削力的影響最小，并且在速度增加到一定程度時，切削力反而會相應減小，并趨于某一穩(wěn)定值。為保證刀具的耐用度及切削效率，加工GCrl5的工藝參數應選擇較高的切削速度、較小的切削深度和進給量，推薦選取：切削速度為150m／rain，切削深度為0．1mm，進給量為0．1mm／r。

3.切削實驗

3．1實驗參數及設備

實驗刀具：采用鄭州博特硬質材料有限公司生產的PCBN刀具，刀桿使用45。偏頭外圓車刀刀桿CSSNR2525—150，刃傾角A；為0。，前角^y。為00，后角％為60，刃I=l鈍圓半徑0為0．4mm。加工工件GCrl5軸承鋼。切削參數：切削速度"分別為100、150、200m／rain，進給量廠為0．1 mm／r，切削深度o，為0．1mm。實驗設備：車床采用CA6240；測力系統采用瑞士Kisfler9257B三向測力儀。

3．2實驗結果及分析

切削過程中使用測力裝置獲得電信號，經過電荷放大器放大，并對信號進行數據收集，最后通過利用D”o Software軟件對信號進行分析處理，從而得出切削力數值顯示在計算機上，如圖5所示，將切削力數值以文本格式輸出，取穩(wěn)態(tài)部分求均值即可得到切削過程中切削力的大小。

圖6顯示了模擬過程同實驗過程中切削力的對比情況，從對比曲線中可以看出，切削力模擬值與實驗值的變化趨勢是一致的，切削速度從100m／min增加到150m／min，切削力也相應的增加，當切削速度為200m／rain時，切削力有所下降，這符合高速切削的變化規(guī)律。比較切削力模擬值和實驗值可知，實驗值比模擬值要大，不過，模擬值與實驗值的誤差不超過10％，究其原因是由于刀具磨損增大導致刀具角度改變造成的。在實際切削過程中，由于GCrl5中存在大量的硬質顆粒，刀具磨損較大，使得刀具一切屑接觸面積減少，加劇刀具的磨損，使刀具角度在較短切削時間內發(fā)生了很大改變，刀具變鈍，刀具前角增大，造成切削過程中切削力的增大。