基于Deform-3D的拉刀幾何參數下的同步齒套漸開線花鍵拉削力仿真分析

李東方 ，楊海波 ，巫少龍 ，林玉珍 ，徐文俊 ，黃林波

（1.衢州職業技術學院 機電工程學院，浙江 衢州324000；2.北京科技大學機械工程學院，北京 100083；3.浙江萬里揚股份有限公司，浙江 金華 321000）

0 前言

切削力是影響切削加工過程中諸多物理現象的重要因素之一[1]，其大小和穩定性很大程度上決定了零件的表面質量和刀具壽命，直接帶來刀具磨損和影響已加工表面質量。劉建強等利用Deform-3D軟件對鈦合金鋼拉削進行分析，得到了不同切削參數對切削力的變化[2]，但其模型是Deform-3D軟件自帶的刀具及工件，較為簡單，沒有很強的針對性。文中Inventor軟件建立實際工件及拉刀拉削三維模型，導入到DEFORM-3D軟件，采用正交試驗法，仿真分析了拉削力和拉刀幾何參數之間的關系，進而可指導同步齒套加工中的拉刀設計以及切削用量優化選擇。

1 漸開線花鍵拉削模型建立

1.1 幾何模型及網格模型建立

用Deform-3D有限元軟件進行漸開線花鍵拉削加工模型建立。按照工序圖（見圖1），采用自定義建模方式，對齒套工件和拉刀[3-4]（前角為α0、后角為γ01、齒升量為S0）進行簡化處理，拉刀和齒套圓周方向建模尺寸均為整個齒套的1/3，將Inventor中建立的刀具和齒套模型（格式為.stl）導入到Deform-3D軟件中，工件采用四面體網格進行劃分，為保證計算精度，在工件被切削區域預埋一個網格細化窗口，權重為0.05，最終得到局部工件單元數為50000左右，計算中使用軟件ALE自適應網格重劃分技術，三維幾何模型及有限元模型，如圖2所示。

圖1 同步齒套漸開線花鍵拉削工序圖

圖2 三維有限元模型

1.2 材料模型

在切削加工中，材料特性變化規律目前主要采用流動應力模型，因此，齒套拉削材料模型設定為塑性Johnson-Cook模型[5]。Johnson-Cook材料模型參數[5]，分別是 A 為 303 MPa、B 為 192 MPa、C 為 0.06、n為0.31、m 為0.706、Tm為1 510℃、Tr為 20℃以及參考應變率為2×10-4。刀具選用WC材料，拉刀硬度要遠大于工件硬度，所以忽略拉刀彈性變形，將拉刀設置為剛體。

1.3 摩擦模型和分析條件

設定初始環境溫度為20℃，熱傳導率為10 N/sec/mm/℃。采用粘結-滑移摩擦模型[1]，初選摩擦系數為0.3。齒套和拉刀分別設定對稱表面，以及固定約束和拉削速度v。拉刀進給每步步長不大于工件最小單元尺寸的1/3，甚至更低，文中取0.05 mm。

2 結果分析

文中數據的模型除特別說明外，均為拉刀前角α0為 18°、后角 γ0為 2.5°、齒升量 S0為 0.025 mm 及拉削速度v為40 mm/s的模型。采用正交試驗法，設定拉削仿真分析的工藝參數及拉刀幾何參數，如表1所示。

表1 拉刀幾何參數正交試驗參數設定

在拉削加工過程中，拉刀前角α0、后角γ0、齒升量S0等是影響拉削力的主要因素。對仿真結果進行后處理，獲得穩態下的拉削力數值。

2.1 拉刀前角α0對拉削力分布的影響

為了防止拉刀刀刃刃口微蹦產生并保持刃口鋒利，各齒前角α0應該保持一致。不同前角α0下的拉削力，如圖3所示。從圖3（a）可知，隨著拉刀前角α0的增大，拉刀刀刃越尖銳，則刀尖越容易切入齒套，拉削變形抗力就越小，故而拉削力就越小。圖（b）顯示，從第1到第5刀刃的平均拉削力來看，拉刀前角α0在15°～21°范圍內的拉削力幾乎呈現線性增大，這是由于隨著齒序Zi的增加，拉削的寬度逐漸增大，拉削面積也隨之增大，拉削力增大。考慮到拉刀強度與剛度，再結合文獻[3]，可知，拉刀前角α0可設計或選為18°。

圖3 不同前角α0下的拉削力

2.2 拉削齒升量S0對拉削力分布的影響

不同齒升量S0下的拉削力，如圖4所示。從圖4（a）可知，隨著齒升量S0的增加，拉削力呈現上升趨勢。經過分析知，這是由于齒升量的增加使得拉削層厚度和拉削面積增大，從而使得拉削變形抗力以及齒套和拉刀前刀面之間的摩擦阻力增大，故而拉削力必然增大，而且齒升量越大，拉削力增加的也越多。圖（b）顯示，從第1到第5刀刃的平均拉削力來看，拉刀齒升量S0在0.0125 mm、0.25 mm及0.05 mm時，拉削力幾乎呈現線性增大，一方面隨著齒序Zi的增加，拉削的寬度逐漸增大，另一方面，齒升量S0的增加，會使得拉削面積也隨之增大，拉削力增大。比如，第一齒的拉削力分別為208.78 N、375.37 N和720.38 N。從增加幅度上看，也和理論分析是相符的。同時，考慮到拉刀強度，應避免因拉刀齒升量過大，拉到上受力面積小及切屑嚴重堵塞引起的拉刀折斷。綜合來看，拉刀齒升量齒升量S0設計或選定為0.025 mm比較合適。

圖4 不同齒升量S0下的拉削力

2.3 拉刀后角γ0對拉削力分布的影響

后角γ0是根據拉刀的類型及被加工工件所需的精度來決定的。不同后角γ0下的拉削力，如圖5所示。

圖5 不同分角γ0下的拉削力

可知，拉刀后角γ0為1.5°的拉削力波動比較大，后角γ0為2.5°和3.5°的拉削力相對比較平穩。這是因為后角γ0過小，拉刀后刀面和切屑之間的摩擦比較劇烈，這樣拉刀磨損就會較為嚴重。因而，增大后角γ0，可減少拉刀和齒套之間的摩擦，提高拉刀的耐用度。但是，拉刀上的后角γ0若是太大，則在重磨刃口時，拉刀直徑方向尺寸變化很快，拉削加工會精度無法保證。再文獻[3-4]關于漸開線花鍵拉刀的后角的推薦值，文中模型的切削齒后角γ0可取為2.5°～3.5°。

3 結論

（1）利用Deform-3D軟件，對20CrMnTi鋼同步齒套漸開線花鍵拉削過程進行建模。

（2）分析了拉刀幾何參數對拉削力的影響規律。隨著拉刀前角的增大，同一齒序下拉削力減小，隨著拉刀齒升量的增大，同一齒序下拉削力增大。但，對拉削力影響較大的是齒升量較小的是拉刀前角。通過優化分析，拉刀前角可設定為18°，拉刀齒升量可設定為0.025 mm。拉刀后角的增大會減小拉刀后刀面與齒套之間的摩擦，為了保證拉削精度，經過優化分析，后角可設定在2.5°～3.5°。以上優化得到的數據，可作為拉刀設計制造及拉削加工的數據支持。