刀具參數對超聲切削蜂窩芯切削力及溫度影響仿真分析

張生芳，王際帆，馬付建，劉宇，沙智華

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

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刀具參數對超聲切削蜂窩芯切削力及溫度影響仿真分析

張生芳，王際帆，馬付建，劉宇，沙智華

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

建立了圓片刀超聲切削Nomex蜂窩芯的三維有限元模型，研究刀具前角、刀具后角和刀片直徑等刀具參數對進給力和切削溫度的影響.研究結果表明：在圓片刀超聲切削Nomex蜂窩芯過程中進給力隨著刀具前角和刀片直徑的增大而增大，隨著刀具后角的增大而減小；切削溫度隨著刀具前角和刀具直徑的增大而增大，隨著刀具后角的增大而減小.

蜂窩芯；圓片刀；超聲切削；進給力；切削溫度

0 引言

Nomex蜂窩芯是一種質量輕、剛度大、抗沖擊、隔音隔熱性好的工程復合材料[1- 2].它通常被制成蜂窩夾層結構件并廣泛的應用于航空航天領域，例如：直升機動力裝置的整流罩、大型客機的機翼、火箭末級推進箱中的液態燃料隔離層等[3- 5].由于Nomex蜂窩芯是具有特殊多孔結構和短纖維各向異性等特性的難加工材料，因此在傳統高速切削加工時存在加工質量低、精度差、加工環境差等問題[6- 8].超聲切削加工技術是通過在刀具上施加超聲振動，改變刀具與被加工材料的作用機制，最終通過機械切削、高頻微撞擊、空化作用去除材料[9- 11].該技術可以解決傳統高速切削加工中存在的問題，近些年來被廣泛運用于Nomex蜂窩芯的實際加工中.

超聲刀具作為超聲切削過程中的執行元件，其結構形狀和尺寸參數對材料加工精度、表面質量以及加工效率都有至關重要的影響.在Nomex蜂窩芯專用超聲切削刀具的設計方面，美國的GFM公司、德國的GEISS公司、法國的CRENO公司已研制出多款專用系列化刀具并已經投入Nomex蜂窩芯的加工生產中.國內對于Nomex蜂窩芯超聲切削刀具的研究尚處于起步階段.沈瑩鑌等[12]對直刃尖刀進行的模態分析和諧響應分析；方亮等[13]對圓片刀進行的靜力分析和模態分析；黃秀秀等[14]建立刀具切割力數學模型并通過實驗驗證加工參數對切割力的影響.

目前國內對于Nomex蜂窩芯超聲切削刀具研究主要集中在刀具的模態分析及加工參數對切削性能的影響上，對于刀具幾何參數對切削性能的影響研究較少.本文以圓片刀為例，基于ABAQUS軟件建立了圓片刀超聲切削Nomex蜂窩芯仿真模型，分析刀具參數對Nomex蜂窩芯超聲切削性能的影響.

1 有限元仿真模型的建立

1.1 圓片刀

圓片刀的用途是將零件表面加工成需要的表面或型面，主要用于Nomex蜂窩芯的精加工，其結構如圖1所示，其中α為刀具前角、 β為刀具后角、h為刀身高度、D為刀片直徑.為保證刀具的切削性能選取YG8硬質合金作為圓片刀的材料，YG8硬質合金材料屬性如表1所示.

圖1 圓片刀

材料參數密度g/cm3彈性模量GPa泊松比熱膨脹系數10-6/K傳導率W/(mol·K)比熱容J/(kg·K)YG8硬質合金14.56000.34.575.4445

1.2 Nomex蜂窩芯

Nomex蜂窩芯是一種正六邊形棱柱孔格軸向均布的薄壁纖維復合材料,其結構如圖2所示：蜂窩芯模型總長15.6 mm，寬13.77 mm，高10 mm，每個蜂窩單元孔格邊長為3 mm，蜂窩單元的單層壁厚t為0.13 mm.Nomex蜂窩芯的材料屬性如表2所示.

圖2 Nomex蜂窩芯

材料參數密度g/cm3彈性模量GPa泊松比熱膨脹系數10-6/K傳導率W/(mol·K)比熱容J/(kg·K)Nomex蜂窩芯1.3345.310.29240.1231300

1.3 切削失效準則

切削失效準則是Nomex蜂窩芯在超聲切削仿真中產生破壞變形的判斷標準，常用的失效準則有幾何準則和物理準則.本文采用ABAQUS軟件提供的Shear Failure(即剪切失效)準則作為Nomex蜂窩芯的切削失效準則，該準則是通過單元節點的塑性應變值是否達到預設的臨界值來判斷是否失效.通過分析計算，當單元節點塑性應變值達到或超過臨界值時材料失效，單元被“殺死”.

1.4 網格劃分及邊界條件

根據實際生產中的加工工況，建立圓片刀超聲切削Nomex蜂窩芯的熱力耦合模型，如圖3所示.對Nomex蜂窩芯采用C3D8T八結點熱耦合六面體的網格劃分并在刀具與材料的接觸區進行網格細化，圓片刀采用C3D10MT十結點熱耦合二階四面體的網格劃分.在實際Nomex蜂窩芯加工中，通常采用真空吸附法實現Nomex蜂窩芯的固持[15]，因此在有限元模型中對Nomex蜂窩芯底面采取全固定約束.由于Nomex蜂窩芯材料本身的硬度并不高，在仿真過程中忽略了刀具的磨損，因此將刀具設置為剛體.

圖3 有限元模型

圓片刀的切削運動分為三部分：一是刀具沿Y軸方向的超聲振動，二是刀具繞Y軸旋轉的切削運動，三是刀具沿X軸方向的進給運用.因此在有限元模型中對圓片刀采用Velocity/Angular Velocity的方式約束刀具的切削運動，設置的加工參數如表3所示.設置工件、刀具、環境的初始溫度為室溫.

表3 仿真加工參數

2 仿真結果及分析

本文采用單因素法研究不同刀具參數(刀具前角α、刀具后角β、刀片直徑D)對Nomex蜂窩芯超聲切削的進給力Ff和切削溫度T的影響.分析中采用的刀具參數如表4.

表4 刀具參數

圖4和圖5分別為刀具前角α=20°、刀具后角β=2°、刀片直徑D=24 mm時，Nomex蜂窩芯超聲切削過程中，進給力Ff和切削溫度T隨時間變化的曲線.

圖4 進給力變化曲線

圖5 切削溫度變化曲線

根據圖可知，在0～0.012 s時.圓片刀開始切入Nomex蜂窩芯，進給力Ff隨切削時間的增大而增大，切削溫度T也隨時間而升高；在0.012～0.07 s時，圓片刀進入切削穩態，進給力Ff和切削溫度T的變化都相對穩定；在0.07～0.11 s時，圓片刀切出Nomex蜂窩芯，進給力Ff和切削溫度T都隨切削時間的增大而減小.因此，選取0.07～0.11 s內的進給力Ff和切削溫度T的平均值進行進給力和切削溫度的分析.

2.1 刀具參數對進給力的影響

(1)刀具前角對進給力的影響

圖6為刀具后角β=2°、刀片直徑D=24 mm時，通過有限元模型得到的刀具前角對進給力的影響曲線.由圖6可以看出隨著刀具前角增大，進給力逐漸增大，這是因為當刀具前角α增大時，刀具的切削角增大，切削過程中Nomex蜂窩芯的變形量增大，因此進給力Ff增大.

圖6 進給力隨刀具前角變化的曲線圖

(2)刀具后角對進給力的影響

圖7為刀具前角α=20°、刀片直徑D=24 mm時，刀具后角對進給力的影響曲線.從圖7可以看出進給力Ff隨刀具后角β的增大而減小.當刀具后角增大時，刀具切削角減小切削過程中Nomex蜂窩芯的變形量減小；同時刀具后角增大，圓片刀后刀面與Nomex蜂窩芯已加工表面的摩擦面積也也會減小，因此進給力Ff減小.但在刀具后角β從1°增加到4°的過程中，進給力Ff只從1.8 N減小到1.77 N.所以刀具后角β的變化對進給力Ff的影響非常小.

圖7 進給力隨刀具后角變化的曲線圖

(3)刀片直徑對進給力的影響

圖8為刀具前角α=20°、刀具后角β=2°時，刀片直徑對進給力的影響曲線.由圖8可知看出隨著刀片直徑增大，進給力也逐漸增大.這是因為在圓片刀的切削深度和切削寬度不變的情況下，當刀片直徑D增大，單位時間內圓片刀切削Nomex蜂窩芯的面積增大，刀具與蜂窩芯的接觸面積也增大，刀具受到的切削阻力也增加，因此進給力Ff增大.

圖8 進給力隨刀片直徑變化的曲線圖

2.2 刀具參數對切削溫度的影響

(1)刀具前角對切削溫度的影響

圖9為刀具后角β=2°、刀片直徑D=24 mm時，刀具長度對切削溫度的影響曲線.由圖9可知隨著刀具長度增大，切削溫度逐漸升高.當刀具前角α增大時，刀具受到的進給力增大，圓片刀與Nomex蜂窩芯的接觸面積增大，產生的切削熱增大，因此切削溫度隨著刀具前角的增大而增大.

圖9 切削溫度隨刀具前角變化的曲線圖

(2)刀具后角對切削溫度的影響

圖10為刀具前角α=20°、刀片直徑D=24 mm時，刀具厚度對切削溫度的影響曲線.由圖10可知切削溫度T隨刀具后角β的增大而減小.當刀具后角β減小時，圓片的后刀面與Nomex蜂窩芯已加工表面的摩擦面積減小，產生的摩擦熱減低，因此切削溫度隨著刀具后角的增大而減小.但在刀具后角β從1°增加到4°的過程中，切削溫度T只從21.44°減低到21.4°所以刀具后角β的變化對切削溫度T的影響很小.

圖10 切削溫度隨刀具后角變化的曲線圖

(3)刀片直徑對切削溫度的影響

圖11為刀具前角α=20°、刀具后角β=2°時，刀片直徑對切削溫度的影響曲線.由圖11可知隨著刀片直徑的增大，切削溫度逐漸升高.因為在切削深度和切削寬度不變的情況下，當刀片直徑增大，圓片刀與Nomex蜂窩芯的接觸面增大，產生的切削熱也增大，因此切削溫度隨刀片直徑的增大而增大.

圖11 切削溫度隨刀片直徑變化的曲線圖

3 結論

(1)以圓片刀為例，建立了基于刀具幾何參數的Nomex蜂窩芯超聲切削有限元模型，得到了Nomex蜂窩芯加工過程中的進給力及切削溫度的變化曲線.仿真結果表明，當圓片刀的刀具前角α=20°、刀具刃角β=2°、刀具直徑D=24 mm時，Nomex蜂窩芯在穩定切削狀態下的進給力約為2 N，切削溫度約為21.5℃;

(2)當刀具前角和刀具直徑增大時，刀具在切削過程中受到材料的變形抗力和摩擦阻力會增大，使得刀具受到的進給力增大；刀具后角增大時，刀具在切削過程中受到的變形抗力和摩擦阻力將減小，刀具受到的進給力也減小;

(3)當刀具前角和刀具后角增大時，刀具受到的摩擦阻力增大，產生的切削熱增加，切削溫度升高；當刀具后角增大時，刀具受到的摩擦阻力減小，產生的切削熱減小，切削溫度降低.

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Simulation Analysis of Tool Parameters Influence on Feeding Force and Cutting Temperature of Ultrasonic Cutting for Honeycomb

ZHANG Shengfan,WANG Jifan,MA Fujian,LIU Yu,SHA Zhihua

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

A three-dimensional finite element model of the disk cutting tool with ultrasonic machining for Nomex honeycomb is established, and the influence of the tool rake angle, tool clearance angle and blade diameter on the feeding force and the cutting temperature is studied. The results show that the feeding force is increased with increasing tool rake angle and blade diameter, but decreased with increasing tool clearance angle. The cutting temperature is increased with increasing tool rake angle and blade diameter, but decreased with increasing tool clearance angle.

honeycomb; disk cutting tool; ultrasonic cutting; feeding force; cutting temperature

1673- 9590(2017)01- 0057- 05

2016- 01- 20

國家863計劃課題資助項目(2015AA043402)；遼寧省自然科學基金資助項目(2014028019)；遼寧省教育廳優秀人才計劃資助項目(LR2015012)；遼寧省教育廳高等學?？茖W研究計劃資助項目(L2014181)

張生芳(1973-)，男，教授，博士，主要從事難加工材料精密高效加工技術CAD/CAE/CAM的研究

E-mail:zsf@djtu.edu.cn.

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