特肯315盤銑刀切削試驗與仿真

(二重(德陽)重型裝備有限公司 四川 德陽 618000)

一、引言

近年來，公司組織開展切削與刀具技術研究，對重機廠常用刀具反復進行切削試驗，進而得出各刀具的推薦切削參數。在切削試驗過程中發現切削試驗量巨大，切削試驗條件有限，導致一些特殊刀具難以通過切削試驗得出合理的推薦切削參數。通過切削仿真和切削試驗互相驗證進而得出合理推薦切削參數的方法。

二、特肯315盤銑刀簡介

Φ315特肯盤銑刀是專門針對重型零件大面粗加工的刀具。刀具采用模塊組合，刀片平裝，壓塊壓緊，操作方便，壓緊可靠、容屑空間大，有效地降低了機床功率的消耗，促進了切屑排除，相比以往常用的60ZM粗加工刀盤,金屬去除率更好，刀片消耗更少。適用于大平面的粗加工及半精加工。

該刀具廣泛適用于各重型加工設備。為了更好的使用該刀具，需對刀具的性能通過切削試驗等方式進行驗證，得出推薦切削參數，以便各機床放心使用。

三、傳統切削試驗方法及其局限

圖1 正交法切削方案示意表

(二)根據試驗計劃進行刀具試驗。按照切削試驗計劃表臨床進行刀具試驗。收集記錄各次試驗的鐵屑狀態、加工表面粗糙度、加工表面尺寸精度、機床震動、功率消耗、刀具刀片損耗、切削效率等數據。在比對各組數據，選出試驗數據中的綜合效益最優的參數，作為該刀具的推薦切削參數。

(三)傳統切削試驗的局限。根據上述過程，傳統切削試驗方法的的科學性、準確性等方面有很大局限如：無法準確測量切削過程中的切削溫度、切削力大小等實時狀態，只能根據切削試驗目視情況判斷優劣，試驗方法的科學性和試驗結論的準確性還有很大的提升空間。既需投入人力，還影響機床的正常產出，試驗成本較高。

四、切削試驗仿真原理

(一)切削試驗仿真整體方案。根據特肯315面銑切結構、功能特點和切削仿真整體要求，制定了如下切削仿真總體方案：切削試驗——建模——計算及分析——試驗對比——模型優化——參數和計算流程固化——結果。

(二)切削有限元模擬的關鍵技術。1.本構模型。本構關系或本構方程一般是給出作用于材料質點上的應力和變形及溫度歷史的關系方程。在進行切削過程數值建模的設計時，應考慮切削過程中工件材料溫度一速度效應及物理一化學參量的變化對切削過程物理現象的影響。2.切削分離準則。與一般的金屬塑性成形不同的是，切削加工是一個使被加工材料不斷產生分離的過程，切削加工的有限元模擬可以分為兩種形式：更新的Lagrange形式/Euler形式。3.刀屑摩擦模型。與一般的金屬塑性成形不同的是，切削加工是一個使被加工材料不斷產生分離的過程，切削加工的有限元模擬可以分為兩種形式：更新的Lagrange形式/Euler形式在實際模擬過程中，前者使用得更為廣泛，這種方式的有限元模擬需要有一定的分離準則使得切屑從工件中產生分離切屑分離準則:是在有限元計算過程中用于判斷刀尖前方切屑與金屬基體上的質點分離與否的判別依據。4.網格劃分。有限元方法得以實現的一個主要的環節就是網格的劃分。網格劃分的工作量大，需要考慮的問題多，網格形式直接影響結果精度和模型規模。5.溫度場與應力場耦合。金屬切削過程是非常復雜的熱-力耦合過程。盡管變形和傳熱同時發生，但傳熱和變形屬于兩個不同物理性質的問題，基于不同的基本理論，很難用聯立求解的方法分析。因此采用分開迭代法，即在同一增量區間內，可分別由瞬態彈塑性邊值問題和瞬態熱傳導問題描述，然后通過兩者的聯系，達到熱-變形耦合的目的。6.仿真結果輸出。通過仿真分析，可以得到刀具參數，切削參數，材料參數等對切削形態、切削溫度、切削力以及加工表面質量的影響。具體包括：(1)刀具參數，切削參數，材料參數對切削的影響。(2)切削加工方法與加工質量之間的關系。

五、特肯315盤銑刀切削試驗與仿真

(一)初步切削試驗。根據試驗要求和重機廠現有條件，并查閱相關手冊樣本，利用正交法，制定切削試驗計劃在10英寸數控鏜銑床按切削試驗計劃表進行切削試驗。通過比對刀片損耗、金屬去除率和表面質量等因素后，得出3組試驗數據中相對合理的推薦切削參數。

(二)初步切削仿真。根據切削仿真原理要求，將被加工零件工件材料、理論切削參數、刀具刀片參數提供給中科院重慶分院。從初步仿真計算的參數與切削試驗推薦參數和刀具廠家所給的推薦切削參數差別不大，經院企合作各方專家共同討論，認為重慶中科院為特肯315盤銑刀建立的仿真本構模型是正確的。

(三)切削參數再優化。根據初步切削試驗和切削仿真結果比較可知，初步切削試驗推薦參數轉速和進給均較低，切寬更寬。

需進一步將兩種結果的輸出參數進行第二次次切削試驗。該試驗在重機廠一工段6×24米龍門銑床上進行。經過切削試驗論證，仿真推導出的切削參數切削效果良好，相較與初步切削試驗得出的推薦切削參數，進給量從400mm/min提高到450mm/min,切削寬度從280下降到260，經計算，切削效率提高4.5%。

根據切削仿真和刀具試驗最終結論，特肯315盤銑刀加工ZG230-450材質工件推薦切削參數為：

N=120r/min Vc=120mm/min F=450mm/min Fz=0.4mm B=260mm，AP=10mm

(四)仿真本構模型運用擴展。仿真本構模型既能輸出切削參數，又能輸出切削力、切削熱。針對45鋼、42CrMo、Q235A等被加工材料時，僅將輸入本構模型的材料參數改變，其余條件不變，本構模型就能自動計算出對應的切削熱、切削力以及切削參數，再通過一次試驗驗證仿真結論，即可得出對應材料的推薦切削參數，相比傳統正交法切削試驗，結果更準確。同時極大的提高了切削試驗效率，降低了切削試驗成本。

六、結論

通過特肯315盤銑刀切削試驗及有限元仿真，得出相關條件下的推薦切削參數。這種試驗方法相比于傳統切削試驗方法，其結果更科學準確，效率更高成本更低。通過改變參數設置，該試驗方法可普遍運用于其它刀具的切削試驗，具有推廣價值。