斷屑槽形狀對硬質合金刀具切削性能的影響分析

劉 銳

自貢工業泵有限責任公司 四川自貢 643000

1 分析背景

目前,各種新型材料的刀具在制造行業得到廣泛應用。但對切削刀具材料而言,硬質合金仍占據最大的市場份額。隨著硬質合金加工技術的快速發展,硬質合金切削刀具的斷屑技術在不斷創新。國內學者針對刀具斷屑槽的斷屑功能、斷屑方式及切屑控制功能進行了相關研究,通過改變斷屑槽的切削參數、擋墻高度、涂層等,來分析斷屑槽的切屑折斷機理和切屑走向規律,從而獲得特定工況下的切削用量,這種方法能有效解決切屑的折斷問題。

國外學者針對刀具斷屑槽進行相關性能研究,從槽型、切削用量對切削刀具進行綜合性能分析。部分學者則從棱帶寬度、涂層進行相關研究。

筆者分析斷屑槽形狀對硬質合金刀具切削性能的影響,用于提高硬質合金刀具的切削性能。使用模擬仿真技術與切削試驗相結合的方式,利用對比分析法對仿真與試驗結果進行分析。

2 切削仿真模型

分別選取了圓弧形、直線溝形、直線圓弧形三種不同槽形的硬質合金刀具,截面如圖1所示。三維斷屑槽相比二維斷屑槽,在切削過程中產生的切屑受到三個方向的阻礙,切屑更容易折斷,因此對應刀具具有較好的切削性能。試驗切削材料為45號鋼,外形尺寸為φ100 mm×200 mm。

圖1 硬質合金刀具截面

切削液在很大程度上會影響切削試驗過程。為了排除切削液對仿真結果的影響,筆者采用干切削方式。切削速度為200 m/min,進給量為0.20 mm/r,切削深度為2 mm。開展三種不同斷屑槽硬質合金刀具切削45號鋼的有限元仿真分析。

3 切削力分析

為了減小仿真計算誤差,對每組試驗均進行多次有限元仿真計算,截取切削力穩定階段的切削力平均值作為刀具的切削力。三種不同斷屑槽刀具的切削力中,圓弧形為1 087.45 N,直線溝形為1 423.18 N,直線圓弧形為1 073.41 N。

對三種不同斷屑槽刀具的切削力進行分析,在三種刀具中,直線圓弧形斷屑槽刀具在切削加工45號鋼的過程中具有更優的切削性能。

4 切削溫度分析

切削過程中,由于刀具與工件工作面的摩擦作用,會產生大量熱量,導致切削溫度升高。三種不同斷屑槽刀具的切削溫度分別為圓弧形836.21 ℃、直線溝形809.36 ℃、直線圓弧形802.49 ℃。切削熱量會引起刀具和工件受熱膨脹,從而改變刀具的幾何結構,影響加工精度。

5 切屑形態分析

切屑形態反映了刀具的斷屑能力,選擇同一坐標點對切屑形態進行觀測,三種不同斷屑槽刀具產生的切屑形態如圖2所示。

圖2 切屑形態

從切削形態來看,三種不同斷屑槽刀具形成的切屑均為C形屑,經過綜合分析,直線圓弧形斷屑槽刀具的切屑形態最優。

6 切削試驗

為了驗證模擬仿真有限元模型的正確性,開展同等條件下的切削試驗,利用專業測力設備對試驗過程產生的切削力進行測量。試驗過程如圖3所示。

圖3 試驗過程

試驗平臺搭建好后,進行數據采集。為了減小試驗儀器及操作誤差,對每組試驗均進行多次測量,取切削平穩階段的切削力平均值作為刀具的切削力。切削力試驗結果如下:圓弧形斷屑槽刀具為975.6 N,直線溝形斷屑槽刀具為1 359 N,直線圓弧形斷屑槽刀具為924.4 N。

從試驗結果可以看出,不同形狀斷屑槽刀具的切削力存在不同,其中直線圓弧形斷屑槽刀具的切削力最小。為了更直觀觀測仿真結果和試驗結果的差值,將仿真結果與試驗結果以曲線表示,如圖4所示。

圖4 仿真與試驗結果曲線

由圖4可以看出,仿真結果和試驗結果存在差異,但兩者變化趨勢一致,由此可證明模擬仿真模型是正確可靠的。通過模擬仿真和切削試驗結果可知,均是直線圓弧形斷屑槽刀具切削力最小。

7 最佳斷屑槽形狀有限元仿真

7.1 切削45號鋼

為了驗證直線圓弧形是否為最優斷屑槽形狀,在切削速度為160 m/min,進給量為0.10 mm/r,切削深度為1 mm的切削參數下,開展切削45號鋼的有限元仿真分析,三種不同斷屑槽刀具的切削力、切削溫度仿真結果如圖5所示。

圖5 切削45號鋼仿真結果

從圖5中可以看出,當切削參數變化時,三種不同斷屑槽刀具的切削性能表現不一致。其中,直線圓弧形斷屑槽刀具的切削力最小。對于刀具的切削溫度而言,直線圓弧形斷屑槽刀具的切削溫度最低,可以說明直線圓弧形是最優斷屑槽形狀。

7.2 切削42CrMo鋼

為了驗證直線圓弧形是否為最優斷屑槽形狀,在同一切削條件下,開展切削42CrMo鋼的有限元仿真分析,三種不同斷屑槽刀具的切削力、切削溫度仿真結果如圖6所示。

圖6 切削42CrMo鋼仿真結果

從圖6中可以看出,切削42CrMo鋼時,三種不同斷屑槽刀具的切削性能表現不一致。其中,直線溝形斷屑槽刀具的切削力較大,直線圓弧形斷屑槽刀具的切削力最小。對于刀具的切削溫度而言,直線圓弧形斷屑槽刀具的切削溫度最低,可以說明直線圓弧形是最優斷屑槽形狀。

即使改變加工工件材料,結果顯示均是直線圓弧形斷屑槽刀具的切削力最小,即直線圓弧形斷屑槽刀具具有更好的切削性能。

8 結束語

筆者利用有限元模擬仿真技術,對三維斷屑槽刀具的斷屑槽形狀進行研究。

通過單因素試驗法設計了三種不同斷屑槽硬質合金刀具車削鋼材的試驗方案,通過有限元仿真軟件對車削過程進行了有限元模擬仿真,根據仿真結果對三種不同斷屑槽刀具的切削力、切削溫度、切屑形態進行綜合分析。

斷屑槽形狀的改變對硬質合金刀具切削性能的影響程度不一。其中直線圓弧形斷屑槽刀具的切削力較小,切削溫度最低,切屑形態最優。在不同切削參數、不同工件材料的情況下,直線圓弧形為最優的斷屑槽形狀。

為了驗證直線圓弧形為最優的斷屑槽形狀這一結論,使用有限元仿真軟件開展三種不同斷屑槽刀具在相同切削參數下切削45號鋼、42CrMo鋼的模擬仿真。結果表明,直線圓弧形斷屑槽刀具具有更小的切削力和更低的切削溫度。

仿真結果與試驗結果表明,切削力大小的變化趨勢大體保持一致,因此有限元仿真模型是正確可靠的,模擬仿真技術能夠用于車削加工領域及刀具相關性能研究。