橢圓振動車削316L不銹鋼仿真分析

李 瑩，張敏良，董慧婷，陳佳鑫，劉曉峰

(上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

316L不銹鋼具有較強的抗腐蝕性能、耐酸性好、耐磨性好、韌性大、良好的焊接性能等一系列優(yōu)良的物理性能而廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但其在加工過程中也存在切削力大、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、切削溫度高、刀具磨損等問題。與常規(guī)切削相比，超聲振動切削技術(shù)改變了金屬材料去除機理，由擠壓變形轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓和脈沖沖擊混合作用的材料變形，可有效減小切削力和切削溫度，改善切削加工效果[1]。

超聲振動切削技術(shù)是由日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授最早提出的[2]，日本名古屋大學(xué)Shamoto E等[3]從超聲振動原理出發(fā)，在垂直和平行于切削方向上對刀具分別施加有規(guī)律的超聲振動，提出了二維超聲振動切削方式，即橢圓振動切削(Elliptical Vibration Cutting ,EVC)。肖繼世[4]進(jìn)行超聲振動切削奧氏體不銹鋼試驗，結(jié)果表明，在所試驗條件下，刀具材料和刀具振幅對刀具耐用度有顯著影響。劉平田[5]進(jìn)行超聲振動切削304不銹鋼有限元仿真及優(yōu)化，得到了超聲振動切削304不銹鋼的最優(yōu)切削參數(shù)。景曙光[6]進(jìn)行橢圓振動車削奧氏體304不銹鋼的試驗，得出橢圓振動切削304不銹鋼時表面粗糙度更小，并且有利于抑制刀具磨損。Zhang X等[7]通過PCD刀具超聲橢圓振動切削淬硬鋼的實驗，得出表面粗糙度隨進(jìn)給速度和名義切削速度的減小而減小。Xu Y等[8]利用超聲振動與非超聲振動下車削304奧氏體不銹鋼對比實驗，驗證了超聲振動有利于降低切削力和提高加工質(zhì)量。

針對Al-Si316L不銹鋼材料，姚嵩等[9]建立立銑削模型并進(jìn)行相關(guān)實驗，結(jié)果表明銑削力隨著銑削速度、進(jìn)給速度、軸向切深的增大而增大。Umbrello D等[10]探究Johnson-Cook材料參數(shù)對316L不銹鋼切削模型的影響，確定了可以合理預(yù)測切削力、切屑形態(tài)、溫度分布和殘余應(yīng)力的Johnson-Cook材料參數(shù)。張德清[11]通過進(jìn)行立式銑削316L不銹鋼的仿真和試驗研究，在選定范圍內(nèi)，進(jìn)給速度越大，表面粗糙度也會隨之增大。黃文等[12]采用不同涂層刀具切削醫(yī)用316L不銹鋼，背吃刀量對切削力影響效果最為顯著，其次是進(jìn)給量，再者是切削速度，刀具材質(zhì)對切削力影響最小。

目前，針對不銹鋼材料的超聲振動切削研究普遍集中在45號鋼、奧氏體304不銹鋼等，對于超聲橢圓振動車削(Elliptical Vibration Turning ,EVT)316L不銹鋼刀具磨損的研究相對較少。針對316L不銹鋼進(jìn)行橢圓振動輔助車削模擬研究，研究超聲橢圓振動方式下切削因素對切削力的影響。

1 橢圓振動切削數(shù)學(xué)模型與切削特性

1.1 橢圓振動切削數(shù)學(xué)模型

超聲橢圓振動切削是在傳統(tǒng)切削的基礎(chǔ)上在X、Y兩個方向同時施加同頻率的振動激勵，從而實現(xiàn)超聲振動切削。橢圓超聲振動的切削示意圖如圖1所示。

圖1 EVT切削示意圖

橢圓振動切削過程中振動呈正弦規(guī)律，超聲振動車削過程中兩個方向上的振動位移方程為：

X=Axsin(2πfxt)

(1)

Y=Aycos(2πfyt)

(2)

式中，Ax、Ay為X、Y方向的振幅，單位(μm)；fx、fy為X、Y方向施加的振動頻率，單位(kHz)；t為時間，單位(s)；

所以，刀具相對工件運動，刀尖的運動方程可表示為：

X(t)=Axsin(2πfxt)+vt

(3)

Y(t)=Aycos(2πfyt)

(4)

切削過程中刀尖在X方向和Y方向的瞬時速度為：

VX(t)=2πfxAxcos(2πfxt)+v

(5)

VY(t)=-2πfyAysin(2πfyt)

(6)

1.2 橢圓振動切削特性

1.2.1 刀具-工件分離特性

常規(guī)超聲車削過程中刀具與工件切屑始終處于接觸狀態(tài)，橢圓振動切削過程因施加高頻低幅的諧波信號，刀具和工件存在周期性的分離，每個切削周期內(nèi)的一定時間段刀具和工件完全分離的，可以有效緩解應(yīng)力集中，降低切削力。同時對于干切削，刀屑的周期性分離有助于切削熱的散發(fā)，減小應(yīng)力集中，對于濕切削，周期性的分離可以使切削液進(jìn)入更深的區(qū)域，帶走更多的熱量，降低刀具溫度。

1.2.2 摩擦力反轉(zhuǎn)特性

切削開始階段，切屑流出速度大于振動速度，切屑所受摩擦力指向切屑底部，阻礙切屑的流出，與常規(guī)切削相同，隨著切削過程的進(jìn)行，振動速度超過切屑流出速度，摩擦力反轉(zhuǎn)，指向切屑流出方向，有利于切屑的流出，避免了局部切屑與刀具過長時間接觸。

1.2.3 剪切角改變特性

剪切角φ是切屑根部金相組織中測定的晶格滑移方向與切削速度之間的夾角[13]。文獻(xiàn)[14]中通過切削力建模的方式，得到了常規(guī)切削和EVT方式下的剪切角：

(7)

(8)

φc、φevt分別為常規(guī)切削、EVT的剪切角；β為摩擦角，γ0為刀具前角。

式(8)與式(7)做差得：

(9)

由此可知β大于0，即φevt>φc，說明EVT方式下剪切角增大。

2 超聲振動切削有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立常規(guī)切削和超聲橢圓振動切削不同條件下的切削模型，常規(guī)切削時邊界條件為固定工件，在刀具參考點上施加切削速度。橢圓振動切削模型在常規(guī)切削模型的基礎(chǔ)上，將諧波信號以速度載荷形式施加在刀具參考點上。

2.1 材料本構(gòu)模型

切削過程是一個復(fù)雜的的物理過程，包含著切削熱、擠壓變形、材料去除等現(xiàn)象，切削層中的應(yīng)變率及溫度變化強烈且不均勻，綜合考慮應(yīng)變、應(yīng)變率以及熱硬化等因素，并且由于J-C(Johnson-Cook)本構(gòu)在描述被切削材料高應(yīng)變率下的熱粘塑性變形行為效果很好，所以模型中選擇J-C(Johnson-Cook)本構(gòu)作為切削過程中工件材料的本構(gòu)模型。J-C本構(gòu)模型如下所示：

(10)

316L不銹鋼具體材料本構(gòu)參數(shù)見表1所示[11]。

表1 316L不銹鋼Johnson-Cook材料參數(shù)

2.2 材料失效準(zhǔn)則

有限元模型中單元的破壞斷裂將工件材料分離形成切屑和加工面，因此模型的建立過程要考慮到切削單元的失效準(zhǔn)則。J-C損傷模型中的失效參數(shù)可以由式(11)獲得：

(11)

式中，Δε-p為材料積分點處等效塑性應(yīng)變增量，ε-pf為材料失效應(yīng)變。

失效應(yīng)變可由式(12)求得：

(12)

式中，d1，d2，d3，d4，d5為材料316L不銹鋼的損傷參數(shù)，具體見表2所示。

表2 316L不銹鋼J-C損傷模型參數(shù)[12]

2.3 切削條件的選擇

在本節(jié)中將介紹普通切削和超聲振動切削316L不銹鋼的相關(guān)條件。切削采用干切削，刀具選用硬質(zhì)合金刀具，刀具前角為5°，后角10°，刀尖圓角半徑為0.03 mm。為探究振幅、振動頻率、切削速度對切削力和切削溫度的影響，振幅、頻率、切削厚度設(shè)置如表3所示。

表3 常規(guī)切削和EVT切削的具體切削條件

對于EVT方式下，只改變切向幅值，保持縱向幅值，使橢圓軌跡的長軸落在X軸上。

3 仿真結(jié)果與分析

通過采用控制變量的方式，對橢圓振動切削和常規(guī)切削進(jìn)行仿真，模擬不同切削速度、不同振幅、不同頻率下的切削316L不銹鋼的過程。

3.1 常規(guī)切削與EVT對比分析

3.1.1 Mises應(yīng)力對比分析

通過仿真實驗，可以清晰地看到橢圓振動切削316L不銹鋼時刀具和切屑存在周期性地分離，將一個周期切削過程分為3個階段：①刀具準(zhǔn)備切入階段；②刀具切入階段；③刀具和切屑分離階段。圖2為常規(guī)切削和振動頻率為30 kHz，X、Y方向振幅分別為10 μm、5 μm，切削速度為40 m/min時橢圓振動切削的Mises應(yīng)力圖，圖2a為常規(guī)切削時的Mises應(yīng)力云圖，從圖中可以看到切削過程中應(yīng)力集中明顯，工件表面上有大量殘余應(yīng)力，圖2b為橢圓振動切削的第一階段，即準(zhǔn)備切入階段，因還未對工件進(jìn)行明顯的切削，工件上的應(yīng)力較小，只在切屑底部留有少量應(yīng)力，圖2c為刀具切入階段，隨著刀具進(jìn)一步深入工件，工件上的應(yīng)力分布類似于常規(guī)切削時的應(yīng)力分布，應(yīng)力較大且分布廣，圖2d為刀屑分離階段，在這一階段，刀具上提，刀尖與切屑底部逐步分離，應(yīng)力逐漸減小，最終到準(zhǔn)備切入狀態(tài)，準(zhǔn)備下一周期的切削。

(a) 切削深度為0.1 mm，切削速度為40 m/min時常規(guī)切削的Mises應(yīng)力

(b) EVT切削刀具準(zhǔn)備切入階段

(c) EVT切削刀具切入階段

(d) EVT切削刀具-切屑分離階段

3.1.2 切削力對比分析

橢圓振動車削方式具有摩擦力翻轉(zhuǎn)的特性，切削過程中刀具和切屑間的摩擦力會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，相應(yīng)地也會對切削力產(chǎn)生影響。圖3為常規(guī)車削和EVT車削過程的切削力圖，圖3a為車削速度為40 m/min的常規(guī)車削的切削力；圖3b為f=20 kHz，Ax=10 μm，Ay=5 μm，v=40 m/min EVT方式下的切削力。從圖中可以看出，無論常規(guī)車削還是EVT方式，Y方向的切削力均明顯小于X方向的切削力。與常規(guī)車削切削力無規(guī)律振動相比，EVT方式下切削力呈現(xiàn)周期性，同時因為X方向上同時施加振動載荷和切削速度，所以X方向的切削力為正值進(jìn)行周期性規(guī)律變化，而Y方向的只施加振動，所以切削力在0刻度線附近進(jìn)行周期性變化。同時可以觀察到EVT方式下的兩個方向的切削力的峰值與常規(guī)切削時切削力相近，而兩種切削方式下切削力峰值相近現(xiàn)象也與前一節(jié)刀具切入階段Mises應(yīng)力與常規(guī)切削時Mises應(yīng)力接近相吻合，而一個EVT切削周期內(nèi)的其他階段，切削力明顯低于常規(guī)切削，這說明了EVT方式可以一定程度上降低切削力。

(a) 車削速度40 m/min常規(guī)車削時的切削力

(b) f=20 kHz，Ax=10 μm，Ay =5 μm，v=40 m/min的EVT切削力

3.1.3 切削溫度對比分析

切削過程中有大量切削熱產(chǎn)生，會導(dǎo)致工件、刀具以及切屑上溫度的上升。通過提取常規(guī)切削和EVT方式下刀具的前刀面、刀尖、后刀面的切削溫度，得到兩種切削方式下的溫度曲線，如圖4所示，圖4a為v=40 m/min時常規(guī)切削時切削溫度曲線圖，圖4b為f=30 kHz，Ax=10 μm，Ay=5 μm，v=40 m/min時EVT方式下切削溫度曲線圖。通過對溫度曲線的局部放大，可以清晰地看到，無論常規(guī)切削還是橢圓振動切削，前刀面的溫度最高，后刀面溫度次之，刀尖溫度最低，這表明切削過程中切削溫度最高的位置不在刀尖，而在距離刀尖一定距離的位置。與常規(guī)車削不同，EVT方式下的切削溫度的上升是有規(guī)律的周期性上升，這是由于施加諧波振動后刀具和工件間進(jìn)行周期性地分離，這樣的分離有利于切削熱的排出，體現(xiàn)在整個切削過程中起到降低切削溫度的效果。

通過對切削溫度的數(shù)據(jù)提取分析，得到不同切削方式下不同位置的平均切削溫度，見表4。對于兩種切削方式，所選的3個測量點的EVT方式下的切削溫度均低于常規(guī)切削時的切削溫度。這說明EVT方式有利于降低切削溫度。

(a) 常規(guī)車削切削溫度曲線

(b) EVT方式切削溫度曲線圖4 常規(guī)車削和EVT方式刀具切削溫度

表4 常規(guī)切削和EVT方式下的平均切削溫度

3.2 振幅對切削力的影響

通過進(jìn)行f=20 kHz，v=50 m/min，Ay=5 μm的Ax分別取10 μm，15 μm，20 μm的仿真實驗，得到不同振幅下的切削力，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到不同振幅下的平均切削力曲線圖，如圖5所示。從圖中可以看到，X、Y方向切削力隨著X方向振幅的增大而減小，Ax=20 μm時切削力最小，并且X方向振幅對X方向切削力的影響更明顯。

圖5 不同振幅下的平均切削力

3.3 頻率對切削力的影響

為研究頻率對切削力的影響，控制變量確定v=50 m/min，Ax=20 μm，Ay=5 μm，頻率分別取20 kHz，25 kHz，30 kHz，得到切削力，對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，得到不同頻率下的平均切削力曲線，如圖6所示。從圖中可知，X、Y兩個方向的切削力均隨著頻率的增加而降低，這是因為隨著頻率的增大，刀屑之間分離的頻次增多，意味著在整個切削過程中刀屑分離時間的增加，所以切削力會因為頻率的增加而降低。從圖中切削力的下降程度可以得出頻率的變化對X方向切削力的影響大于對Y方向切削力的影響。

圖6 不同頻率下平均切削力

3.4 切削速度對切削力的影響

結(jié)合3.2節(jié)與3.3節(jié)的結(jié)論與分析，選擇f=30 kHz,Ax=20 μm，Ay=5 μm的振動參數(shù)，速度分別為40 m/min，50 m/min，60 m/min，進(jìn)行切削仿真，得到不同速度下的切削力，求得切削過程中平均切削力，得出平均切削力曲線圖，如圖7所示。

圖7 不同切削速度下的切削力

從圖中可知，隨著切削速度的增大，X、Y兩個方向的切削力會有不同程度的增大，當(dāng)速度高于50 m/min時，切削力明顯增加，因此超聲橢圓振動車削316L不銹鋼時應(yīng)合理選擇切削速度。

4 結(jié)論

結(jié)合目前橢圓振動車削難加工材料316L不銹鋼的研究較少的現(xiàn)狀，對超聲橢圓振動車削難加工材料316L不銹鋼進(jìn)行仿真實驗研究，探究了橢圓振動下振動參數(shù)與切削速度對切削力的影響，所得結(jié)論如下：

(1)橢圓振動車削316L不銹鋼與常規(guī)車削進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，EVT方式下Mises應(yīng)力、切削力、切削溫度均低于常規(guī)車削，因此EVT方式切削316L不銹鋼更具優(yōu)勢。

(2)EVT方式切削316L不銹鋼時，Mises應(yīng)力、切削力、切削溫度三者變化規(guī)律相互映襯。

(3)EVT方式下切削力隨著振幅的增大而減小，隨著頻率的增大而減小，隨著切削速度的增大而增大，選擇合適振動參數(shù)可以有效降低切削力。

(4)研究中選擇的參數(shù)范圍有限，還需進(jìn)一步進(jìn)行探究，并通過試驗得以驗證。