基于DEFORM-3D的微織構刀具切削性能仿真分析

徐明剛，張　振，馬小林，黃文勇

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

?

基于DEFORM-3D的微織構刀具切削性能仿真分析

徐明剛，張振，馬小林，黃文勇

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

摘要：現代摩擦學和仿生學證實，具有一定非光滑形態的高性能的表面織構有更好的抗磨減摩性能。通過Solidworks對仿生織構PCD刀具進行了三維建模，利用DEFORM-3D有限元分析軟件，對無微織構和有微織構(凹坑、溝槽)PCD刀具在相同條件下進行了三維切削仿真，結合其切削力、切削溫度進行切削性能分析。結果表明，一定尺寸的凹坑、溝槽微織構可以有效改善刀具在切削過程中的應力分布情況。然后，采用激光加工方法在刀片的前刀面置入不同微織構，在CA6136車床上進行切削實驗。試驗發現：干切削條件下，溝槽型微織構刀具切削鋁合金工件的表面質量要優于無織構刀具。

關鍵詞：DEFORM-3D；PCD刀具；微織構；切削性能

0引言

傳統摩擦學認為光滑表面具有更好的耐磨性。然而，現代摩擦學和仿生學的相關研究證實，表面并非越光滑越耐磨，而具有一定非光滑形態的高性能的表面織構具有更好的抗磨減摩性能，是一種有效地改進表面摩擦性能和提高表面承載能力的措施[1-2]。常見微織構的形式主要有溝槽陣列微織構、凹坑陣列微織構、凸包陣列微織構以及鱗片陣列微織構等[3-5]。因此除了材料本身的性能，刀具抗磨減摩空間的提升還可以通過在其切削面加工出具有一定形貌的表面織構來實現。日本中央研究所的Noritaka Kawasegi等人利用前刀面加工有溝槽型微織構的刀具，在微量潤滑條件下車削鋁合金，發現微織構可以明顯降低前刀面的摩擦力，垂直切屑流動方向的微織構比平行切屑流動方向的微織構效果更明顯[6]。

DEFORM軟件系列是SFTC公司的產品，采用有限元方法對金屬成形和加工過程進行模擬分析，軟件具有成熟的數學理論和分析模型，并在許多方面得到可靠的應用效果[7]。可以分析復雜的三維材料流動模型。用它來分析那些不能簡化為二維模型的問題尤為理想。該軟件可以提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息。程序在Windows系列操作系統或流行的UNIX界面下均可運行，它包含了最新的有限元分析技術，既適用于生產設計，又方便科學研究。

本文利用DEFORM-3D有限元分析軟件，對材料的非線性塑性行為采用Johnson-Cook本構方程，在干切削條件下對無微織構和有微織構的PCD刀具的三維切削過程進行了有限元分析。對凹坑、溝槽微織構刀具在相同條件下進行切削仿真，結合其切削力、切削溫度進行研究；通過與無微織構刀具切削進行對比分析，討論在刀具的前刀面置入不同微織構后對切削力的影響。然后，通過實驗進行驗證溝槽織構刀具的切削性能，從而為微織構刀具的進一步研究提供一定的理論基礎。

1有限元模型建立

DEFORM車削仿真的一般模型見圖1，該模型表征進給量、切削速度、被吃刀量三個主要參數。通過設定工件和刀具的材料物理屬性，調整三個主要參數的大小，來分析其對切削性能的影響。

圖1　Deform-3D切削仿真有限元模型

1.1工件和刀具建模及網格劃分

為了便于刀具上微織構的物理屬性定義，仿真分析前在Solidworks中對溝槽、凹坑和無微織構三種刀具進行三維建模(見圖2)，保存為.STL格式，導入到DEFORM-3D的刀具庫中。在DEFORM-3D中進行刀具屬性的編輯定義，賦予三種刀具PCD型金屬性質，其材料的相關參數見表1。

表1　聚晶金剛石(PCD)材料相關參數

圖2　微織構刀具三維模型

本次刀具建模過程中選取的12方的外圓車刀，刀片前角0°，后角9°，主偏角900，刃傾角00。溝槽織構截面為矩形，長、寬為100μm×50μm，各溝槽通過間距為100μm進行線性陣列。刀具表面的不同紋理織構以及織構的尺寸，對刀具強度產生一定的影響，微坑直徑對刀具強度影響比較大，在70μm時，影響較小，因此在建模過程中選取這些不同紋理織構的直徑為70μm；織構間距在100μm到200μm之間變化時，對刀具強度影響不大，在建模過程中選取織構間距為200μm，同時設置凹坑、凹槽以及凸點的深度和高度為50μm。

把刀具的三維模型導入到DEFORM-3D中，進行的網格劃分。DEFORM中對工件和刀具多采用拉格朗日法來劃分網格[7]。對溝槽織構刀具，其單元網格數為35212個，在刀尖處選擇默認4:1的尺寸比例來細化網格，也就是將刀尖處的網格在刀具網格粗劃分的基礎上再細化25%。在本例中，對微坑織構和無織構刀具的網格劃分同樣采用上述形式，微坑織構和無微織構刀具的單元網格數分別為35000、35000個。對工件進行網格劃分，DEFORM系統設定工件上單元相對網格尺寸的數量不能超過80000個，考慮到刀具和工件之間的接觸和分離關系相當復雜而且易于出錯[8]，故設定其單元網格數為60088個，設定密集處以7:1的尺寸比例來細化網格。

1.2材料屬性及前處理

本例采用的軟件版本為DEFORM-3D ver 6.1。其自帶豐富的材料庫，并且還可以根據用戶需要添加自定義材料[8]。本實例中，工件選用6061鋁合金材料。材料的非線性塑性行為采用Johnson-Cook本構方程，其形式簡單應用范圍廣，適用于描述大應變率下黑色金屬和有色金屬的應力應變關系[9]。Johnson-Cook模型描述為：

(1)

T、Troom、Tmelt分別為變形溫度、室溫(一般取20℃)和材料熔點；

A為材料的屈服應力(單位：MPa)；

B為應變硬化常數(單位：MPa)；

C、n、m為材料特性系數，可通過材料試驗或切削試驗方法獲取。

仿真過程中，結合參考文獻[9]中常用工程材料Johnson-Cook本構方程系數的表格選取相應參數，見表2。將此數據依次輸入到材料的定義屬性中。

表2　6061鋁合金常用 Johnson-Cook 材料參數

在仿真切削條件中，設置環境溫度為20℃、傳熱系數為0.02m2·s·k、摩擦因數為0.6、熱傳導系數為45m2·s·k。為保證模擬結果與實際盡可能接近，采取仿真步數為2000步。時間步長的設定選用默認缺省值。完成切削前處理過程，進行切削模擬運算。

2仿真結果與分析

在仿真過程中，切削深度取0. 3mm，切削速度為120m/min，仿真分析中的進給量為0.3mm/r。

2.1工件等效應力分析

切削力反映了切削的難易程度，是最重要的參數之一[10]。切削過程中的主切削力是切削速度方向的力。圖3、圖4為PCD刀具(無織構、凹坑織構和溝槽織構)切削仿真stress-effective等值線圖。

圖3　PCD刀具切削仿真stress-effective等值線圖(step=150)

圖4　PCD刀具切削仿真stress-effective等值線圖(step=300)

可以看出，在仿真切削過程中，無織構刀具的等效應力大于凹坑織構刀具和溝槽織構刀具，凹坑織構刀具的切削等效應力要略小于溝槽織構刀具。

圖5是無織構、凹微坑織和溝槽微織構PCD刀具在切削過程中的主切削力曲線圖。從圖中可以看出，在干切削條件下，微織構刀具可以在一定程度上減小切削力，而溝槽微織構比凹坑微織構更有明顯的優勢。

圖5　PCD刀具切削仿真切削力曲線圖

2.2工件溫度場分析

在干切削條件下，從圖6、圖7中可以看出，帶有溝槽微織構刀具在切削工件過程中，其散熱性要大于無微織構和凹坑織構刀具。

圖6　PCD刀具切削仿真溫度場等值線圖(step=150)

圖7　PCD刀具切削仿真溫度場等值線圖(step=300)

在沒有潤滑的條件下，根據文獻報道[13]，溝槽織構刀具具有比凹坑織構刀具更好的散熱性，可以使工件加工表面質量更好；而凹坑微織構刀具在仿真切削過程中，其被切工件散熱性與無織構刀具所切削的工件散熱性相比沒有明顯優勢。但是，在冷卻潤滑介質條件下，凹坑織構刀具則可以改善刀工之間的摩擦狀態，從而降低刀具磨損，是提高工件加工效率的一種有效方法。

3實驗研究

實驗選用PCD刀具，用激光加工出溝槽織構，大小為100μm×80μm×50μm，見圖8。然后，在CA6136型車床上進行鋁合金切削實驗。實驗中，切削速度為100m/min，切削深度為0.4mm，進給量為0.3mm/r。

在相同條件下用PCD溝槽織構和無織構刀具進行切削。其切屑在掃描電鏡下形貌如圖9所示。從圖中可以看出，兩種刀具的切削所產生的切削屑均為帶狀切屑。一般切削厚度較小，切削速度高時容易產生這種切削屑。此時，切削過程平穩，切削力波動小，已加工工件的表面質量好[14]。

切屑形貌是影響工件表面質量及切屑力大小的重要因素之一。在相同條件下用PCD溝槽織構刀具和無織構刀具進行干切削。利用JSM-7001F型熱場發射掃描電鏡( SEM) 觀察切屑表面微觀特征。通過圖9a，PCD無織構刀具的切屑的非接觸面有毛刺，而圖9b中的切屑底部的毛刺已經消失，同樣兩種切屑自由表面也有擠壓的痕跡。PCD溝槽織構刀具的切屑接觸面即內表面較無織構刀具光滑。

兩種刀具切屑的非接觸面均有鋸齒狀出現。其原因在于，干切削條件下沒有足夠潤滑，切屑形成初始會在刀具刃口前端堆積，所產生的切屑具有鋸齒狀特點。對比圖9中的兩幅圖可以發現，織構的存在能夠改善刀具前刀面與切屑的接觸性能，從而改變切屑的形態。

試驗后利用JSM-7001F型熱場發射掃描電鏡( SEM) 觀察被加工工件表面微觀特征，見圖10。從圖中看出，溝槽織構刀具切削工件的表面比較光滑，而無織構刀具加工的工件表面較為粗糙。因此，在刀具表面置入微織構對對加工工件的表面質量具有重要影響。

圖10　SEM下工件表面形貌

4結論

本文利用SolidWorks三維建模軟件對微織構刀具進行模型建立，并通過DEFORM-3D對PCD刀具(無織構、溝槽織構及凹坑織構)進行了切削仿真。然后，通過激光加工，在PCD刀具前刀面上置入微織構，在相同條件下對不同表面形貌刀具進行切削鋁合金實驗。得出以下結論：

(1)在PCD刀具前刀面置入微織構，可以減小切削過程中的主切削力，延長了刀具的使用時間，其切削性能優于無微織構刀具。干切削條件下，溝槽織構刀具的切削性能最好，凹坑織構的優勢并不明顯。

(2)在實驗過程中，相同的切削條件下， PCD溝槽微織構刀具比無微織構刀具的切削性能要好，切削后的工件表面加工表面質量更好。為微織構刀具理論研究提供參考。

[參考文獻]

[1] 韓中領，汪家道，陳大融. 凹坑表面形貌在面接觸潤滑狀態下的減阻研究[J]. 摩擦學學報,2009,29(1):10-16.

[2] 王曉雷, 王靜秋, 韓文非. 邊界潤滑條件下表面微細織構減摩特性研究[J]. 潤滑與密封, 2007,32(12):36-39.

[3] T Enomoto, T Sugihara.Improving Anti-Adhesive Properties of Cutting Tool Surfaces by Nano/MicroTextures [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2010,59(1):597-600.

[4] 齊彥昌，馬成勇，彭云,等. 激光雕刻非光滑表面的微觀組織和性能研究[J]. 材料熱處理學報, 2006,27(3):108-112.

[5] K Kawahara, H Sawada, A Mor.Effect of Surface Periodic Structures for Bi-directional Rotation on Water Lubrication Properties of SiC[J].Tribology Online,2008,3(2):122-126.

[6] 邵世超，謝峰. 仿生微織構對刀具切削性能影響的有限元分析[J]. 工具技術，2013,47(5)：8-12.

[7] 武文革，黃美霞.基于DEFORM-3D的高速車削加工仿真[J]. 現代制造工程,2009(11):91-94.

[8] 武文革，辛志杰.金屬切削原理及刀具[M].北京：國防工業出版社，2009.

[9] 劉戰強，吳繼華，史振宇,等. 金屬切削變形本構方程的研究[J]. 工具技術，2008, 142(3): 3-9.

[10] 王蘇東.基于DEFORM-3D的鈦合金切削過程有限元仿真[J].裝備制造技術,2009(12):30-32.

[11] 王紅軍.基于DEFORM軟件的車削加工仿真[J].現代制造,2002(9):58-59.

[12] 章振翔，張金明，王來錢. 基于 DEFORM-3D 的不銹鋼切削力有限元仿真[J].輕工機械，2011,29(4):40-42.

[13] 戚寶運，李亮，何寧，等. 表面織構在刀具減磨技術中的應用[J]. 工具技術, 2010,44(12):3-6.

[14] 戚寶運,李亮,何寧,等.微織構刀具正交切削Ti6Al4V 的試驗研究[J]. 摩擦學學報，2011,31(4):346-351.

(編輯李秀敏)

Simulation Analysis of Micro Texture Tool Cutting Nature Based on DEFORM-3D

XU Ming-gang, ZHANG Zhen, MA Xiao-lin, HUANG Wen-yong

(School of Mechanical Engineering and Materials Science,North China University of Technology, Beijing 100144,China)

Abstract：It was confirmed by modern tribology and bionics that non high performance surface texture smooth morphology has better .Antifriction nature. It was founded by Solidworks to three-dimensional modeling of the bionic texture tool and use DEFORM-3D finite element analysis software. It was carried out three dimensional cutting simulation on the non-micro texture and micro texture (pits, grooves) PCD tool under the same conditions, combing with the cutting force and cutting temperature for cutting performance analysis. The results show that the size of the pits, grooves, micro texture can effectively improve the stress distribution in the cutting tool process. Then, different surface micro textures were put into in front of the PCD blade knife by rake of the laser processing method and cut experiment on a CA6136 lathe. Test results show that the surface quality of the groove type micro texture cutting aluminum alloy workpiece is better than that of untextured tool under the dry cutting conditions.

Key words：DEFORM-3D; PCD tool; micro texture; cutting nature

中圖分類號：TH166;TG661

文獻標識碼：A

作者簡介：徐明剛(1979—),男,山東青島人，北方工業大學副教授，博士(后)，研究方向為高效復合加工技術，(E-mail) xmg@mail.tsinghua.edu.cn。

*基金項目：國家自然科學基金(51205005)

收稿日期：2015-05-11

文章編號：1001-2265(2016)03-0044-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.012