高壓冷卻條件下刀具摩擦性能的仿真研究

王飛杰，郭文亮，劉潤愛，宮曉琴

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 精密加工山西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

316 奧氏體不銹鋼具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)性質(zhì)，在各行各業(yè)有著極為廣泛的應(yīng)用；然而，316不銹鋼的難加工性表現(xiàn)為加工硬化嚴(yán)重、切削力大、切削溫度高、刀具磨損快。已有的研究表明：在切削過程中，屑-刀-工接觸面上摩擦性能會直接影響到各種切削要素，如切屑變形、切屑力、刀具磨損等，而刀-屑間的摩擦特性對切削影響尤為明顯。近年來，針對切削難加工材料出現(xiàn)的一種高壓冷卻輔助加工技術(shù)（High-Pressure-Coolant，HPC）能提升切削液進(jìn)入切削加工區(qū)的滲透能力，提高切削液的冷卻效果和潤滑效果，是一種高效可行的難加工材料輔助加工技術(shù)[1]。這里采用一種內(nèi)冷式高壓冷卻方法，有助于減小切削力、分離刀-屑接觸、改善刀-屑間的摩擦性能。

文獻(xiàn)[2]對干式車削淬硬鋼的摩擦特性進(jìn)行了有限元仿真研究，通過使用DEFORM有限元軟件模擬仿真在不同刀-屑間摩擦系數(shù)下的PVBN刀具車削Cr12MoV工件，研究了不同刀-屑間的摩擦系數(shù)μ 對切削力和切削溫度的影響和作用機(jī)理。文獻(xiàn)[3]對刀具摩擦磨損的研究方法進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[3]提到的切削試驗(yàn)法，具體是在車床上架設(shè)力傳感器測量三個(gè)方向的切削分力、在刀具上埋設(shè)熱電偶測定切削區(qū)的溫度。文獻(xiàn)[4]研究了WC/TiC 層狀陶瓷刀具材料在干摩擦條件下與316L不銹鋼之間的摩擦磨損性能。使用了CFT-I型材料表面性能綜合測試儀測試層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦磨損性能。已有研究大部分是基于干摩擦的切削環(huán)境或者是建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮到節(jié)約成本和減小試驗(yàn)誤差，日益成熟的有限元技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一目的[5]。為提高316不銹鋼18Cr-12Ni-2.5Mo的加工特性與改善刀具的摩擦性能，需要進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，本文采用正交試驗(yàn)法，利用Third Wave AdvantEdge 仿真軟件，在干切削（DRY）和高壓冷卻（HPC 200 bar）兩種不同切削條件下模擬切削316不銹鋼，得出不同切削參數(shù)、不同切削條件對刀-屑間的摩擦系數(shù)μ 的影響規(guī)律。

2 有限元建模

2.1 仿真模型建立

在車削有限元仿真中，刀具選用Third Wave AdvantEdge-2D中的標(biāo)準(zhǔn)刀具：刀尖半徑r為0.8mm、前角γ0為15°、后角α0為5°的涂層刀具。在AdvantEdge-2D 中建立刀具模型，如圖1所示。刀具的材料選用硬質(zhì)合金，涂層為0.005mm 的TiN，設(shè)置其邊界初始溫度為20℃。316不銹鋼的工件模型為h=2mm；L=9mm 的切削層，屬性設(shè)置為彈塑性，為縮短仿真時(shí)間，取切削長度為5mm。

圖1 刀具與工件有限元模型Fig.1 Tool and Workpiece Finite Element Model

2.2 材料模型

將采用316 不銹鋼的化學(xué)元素組成作為工件的材料模型。18Cr-12Ni-2.5Mo的化學(xué)元素組成（wt%）[6]，如表1所示。

表1 18Cr12Ni2.5Mo的化學(xué)元素組成（wt %）Tab.1 Chemical Composition of 18Cr-12Ni-2.5Mo（wt%）

2.3 參數(shù)設(shè)置

在參數(shù)設(shè)置中，為改善刀具的摩擦性能，需要進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此采用正交試驗(yàn)法來設(shè)置切削參數(shù)。具體數(shù)值，如表2所示。高壓冷卻的切削過程中，切削液通過外界作用力有效地沖破汽化屏障而與切削加工區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱，并在刀-屑與刀-工接觸面間形成周期性潤滑膜，增加了潤滑效果[7]。高壓冷卻的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)可以由式（1）計(jì)算，即：

表2 切削試驗(yàn)的正交試驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal Test Table for Cutting Test

式中：h—強(qiáng)制對流換熱系數(shù)，W（/m2·K）；Nu—無量綱努賽爾數(shù)；d1—潤滑膜的厚度，mm；λ—流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W(m·K)。經(jīng)式（1）計(jì)算得出，當(dāng)切削液壓強(qiáng)為200 bar時(shí)，切削液的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)為4800 W/(m2·K)[8]。由于切削液壓強(qiáng)可影響刀-屑和刀-工接觸面上的摩擦力，因此干切削下的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.6、高壓冷卻（HPC 200bar）切削下的摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。

在AdvantEdge-2D 中為了模擬高壓冷卻切削過程，需開啟Coolant模塊，具體設(shè)置為：內(nèi)冷式噴射孔的直徑d設(shè)置為1mm時(shí)，噴射效果以及刀具強(qiáng)度最優(yōu)，取Jet Radius為0.5mm[9]；考慮到刀具的強(qiáng)度，噴射孔在前刀面上距刀尖的距離l為2.3mm，以工件左下角為原點(diǎn)（0，0），根據(jù)不同的進(jìn)給量f，噴射中心（Nozzle Location）的Y值也有所變化，計(jì)算式為式（2）、式（3），具體數(shù)值，如表3所示。

表3 噴嘴位置Tab.3 Nozzle Location

式中：L—工件的長度，mm；l—噴射孔在前刀面上距刀尖的距離，mm；h—工件的寬度，mm；f—進(jìn)給量，mm/r；γ0—刀具前角，°。

切削液出噴射孔與前刀面呈30°，高壓射流角度，如圖2所示。經(jīng)計(jì)算噴射角度為225°；高壓冷卻設(shè)置冷卻液的壓強(qiáng)為200 bar，利用ANSYS 的Fluent 模塊進(jìn)行仿真，高壓射流速度，如圖3所示。取噴射速度為160m/s。

圖2 噴射角度圖Fig.2 The Picture of Jet Angle

圖3 噴射速度ANSYS 仿真Fig.3 Jet Speed ANSYS Simulation

2.4 刀-屑間的摩擦系數(shù)的計(jì)算

在三維正交切削中，

式中：Fx—進(jìn)給抗力，N；

Fy—切深抗力，N；

Fz—主切削力，N；

Fxy—合力Fr在基面上的分力，N；

kr—主偏角，°；

β—摩擦角，°。

在AdvantEdge-2D中，切削速度的方向與X軸平行，進(jìn)給速度的方向與Y軸平行，得X方向上的力為主切削力，Y方向上的力為進(jìn)給抗力[10]。為得出不同切削參數(shù)、不同切削條件下的刀-屑間的摩擦系數(shù)μ，進(jìn)行如下操作：（1）根據(jù)正交試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)，利用AdvantEdge-2D 仿真在正交參數(shù)下分別得出干切削和高壓冷卻（HPC 200 bar）的主切削力（X方向）和進(jìn)給抗力（Y方向），利用式（6）計(jì)算出切深抗力；（2）將主切削力和算得的切深抗力代入式（7），得出不同切削參數(shù)、不同切削條件下的刀-屑間摩擦系數(shù)μ=tanβ。

3 結(jié)果與討論

3.1 正交切削分力研究

這里使用正交切削試驗(yàn)法通過研究切削分力來研究刀具的摩擦性能。在有限元仿真中，分別在正交試驗(yàn)的切削參數(shù)下就干切削（DRY）和高壓冷卻（HPC 200 bar）兩種切削環(huán)境對切削分力（主運(yùn)動(dòng)方向和進(jìn)給方向）進(jìn)行測量。仿真結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可知，切削參數(shù)的三個(gè)因素在兩種切削環(huán)境下對主切削力和進(jìn)給抗力的影響程度是一致的，從大到小依次為：背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度。以切削分力最小為目標(biāo)選擇最優(yōu)的切削參數(shù)組合時(shí)，在干切削（DRY）切削環(huán)境下，從主切削分力和進(jìn)給抗力方面考慮選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（120m/min）、進(jìn)給量f（0.1mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）；在高壓冷卻（HPC 200 bar）切削環(huán)境下，從主切削分力方面考慮選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（120m/min）、進(jìn)給量f（0.1mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）；從進(jìn)給抗力方面考慮選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（80m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）。

由圖4 可以看出，在同樣的切削參數(shù)下，在高壓冷卻（HPC 200 bar）切削環(huán)境中切削時(shí)的主切削分力、進(jìn)給抗力比干切削（DRY）時(shí)的主切削分力、進(jìn)給抗力分別降低了（5～11）%、（3～28）%，不過部分切削參數(shù)除外：ap（0.2mm）；ap（0.6mm）；f（0.2mm/r）；vc（80m/min）。

圖4 切削分力-三因素Fig.4 Cutting Force-Three Factors

3.2 刀-屑間摩擦系數(shù)研究

在車削試驗(yàn)中，通過測量出主切削力Fz和切深抗力Fy可利用式（7）求出前刀面與切屑接觸面間摩擦系數(shù)μ。在有限元仿真中，同樣利用這種方法，高效地計(jì)算出在正交試驗(yàn)參數(shù)下不同切削環(huán)境中刀-屑間的摩擦系數(shù)μ。仿真結(jié)果，如圖5所示。

由圖5 可以看出，在同樣的切削參數(shù)下，在高壓冷卻（HPC 200 bar）切屑環(huán)境中切削時(shí)的刀-屑間的摩擦系數(shù)μ與干切削（DRY）相比降低了（3～11）%，不過部分切削參數(shù)除外：f（0.1mm/r）。切削參數(shù)的三個(gè)因素在兩種切削環(huán)境下對刀-屑間摩擦系數(shù)μ的影響程度是一致的，從大到小依次為：進(jìn)給量、切削速度、背吃刀量。選擇最優(yōu)的切削參數(shù)組合時(shí)，在干切削（DRY）切削環(huán)境下，從刀-屑間摩擦系數(shù)μ方面考慮選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（120m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（1mm）；在高壓冷卻（HPC 200 bar）切削環(huán)境下，從刀-屑間摩擦系數(shù)μ方面考慮選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（80m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）。

圖5 刀-屑間的摩擦系數(shù)μ-三因素Fig.5 Tool-Chip Friction Coefficient μ-Three Factors

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元仿真的準(zhǔn)確性與可行性，使用車削實(shí)驗(yàn)法來研究刀具的摩擦性能。試驗(yàn)工件采用直徑為60 mm的316不銹鋼棒料，車床采用CA6140車床，特制的內(nèi)冷式車刀（刀尖半徑r為0.8mm、前角γ0為15°、后角α0為5°的YW1 硬質(zhì)合金刀具），YDCB-III05 壓電石英三向車削測力儀安裝在刀架上，車削2 分鐘，采集數(shù)據(jù)。車削試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 車削試驗(yàn)裝置Fig.6 Turning Test Equipment

從刀-屑間摩擦系數(shù)μ方面考慮選擇最優(yōu)的切削參數(shù)組合（DRY：切削速度vc（120m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（1mm）；HPC 200 bar：切削速度vc（80m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）），來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)驗(yàn)證表Tab.4 Test Verification

5 結(jié)論

基于Third Wave AdvantEdge 模擬仿真干切削（DRY）和高壓冷卻（HPC 200 bar）兩種切削條件在正交切削參數(shù)下的切削進(jìn)程，得出主切削力Fz和切深抗力Fy，計(jì)算出刀-屑間的摩擦系數(shù)μ。通過兩種切削條件的對比分析，研究內(nèi)冷式高壓冷卻對刀具摩擦性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，

（1）切削參數(shù)的三個(gè)因素在兩種切削環(huán)境下對刀-屑間的摩擦系數(shù)μ的影響程度是一致的，從大到小依次為：進(jìn)給量、切削速度、背吃刀量；

（2）在同樣的切削參數(shù)下，對于主切削分力、進(jìn)給抗力、刀-屑間的摩擦系數(shù)μ，高壓冷卻（HPC 200 bar）較干切削（DRY）相比，所得值降低了（5～11）%、（3～28）%、（3～11）%；

（3）選擇最優(yōu)的切削參數(shù)組合時(shí)，從刀-屑間摩擦系數(shù)μ方面考慮，在干切削（DRY）切削環(huán)境下選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（120m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（1mm）；在高壓冷卻（HPC 200 bar）切削環(huán)境下選擇最優(yōu)參數(shù)組合為：切削速度vc（80m/min）、進(jìn)給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）。