金屬切削中刀具月牙洼磨損模型的研究

畢雪峰 劉永賢

1.上海理工大學，上海，200093 2.東北大學，沈陽，110819

0 引言

刀具磨損的研究主要集中在刀具壽命計算、磨損機理分析、磨損輪廓預測以及磨損對工件表面質量的影響上。刀具壽命通常用經(jīng)驗公式來表達，如Taylor公式或它的其他轉化形式。Taylor公式定義了刀具壽命和切削參數(shù)之間的關系。然而，對于刀具制造商和科研人員來說，刀具的磨損過程和磨損輪廓也是非常重要的信息。

發(fā)生在刀具前刀面的月牙洼磨損是由切屑和刀具前刀面之間高溫、高壓和劇烈的摩擦導致的。一般認為，月牙洼最大深度、月牙洼最大深度位置距刀刃的距離和月牙洼寬度是評價刀具壽命的關鍵值。然而，了解并預測整個月牙洼磨損輪廓隨切削時間的變化才是刀具磨損研究的最終目的。

本研究針對硬質合金刀具切削低碳鋼的情況，建立了一個同時考慮黏結磨損和擴散磨損的復合磨損模型，并將其用來分析和預測刀具前刀面月牙洼磨損輪廓。

1 實驗研究

月牙洼磨損經(jīng)驗模型通常表達了磨損率和各個切削變量之間的關系。通過切削實驗獲取切削過程中的各切削變量和磨損率，然后根據(jù)這些實驗數(shù)據(jù)擬合出經(jīng)驗模型中的系數(shù)，便可以獲得相似切削條件下的磨損模型。

實驗研究通過使用硬質合金刀具在普通速度范圍內切削低碳鋼材料來獲取月牙洼磨損輪廓。在實驗過程中，切削速度有小范圍變化，刀具幾何參數(shù)、進給量和背吃刀量保持不變。此時，切削力和溫度是影響月牙洼磨損的主要切削變量，因此本實驗側重于切削力、溫度和磨損率的測量。

三組切削測試全部在CA6140普通車床上完成，所有車削實驗都模擬正交切削加工過程，使用無涂層硬質合金刀片P10（WC－TiC－Co）干切削低碳鋼AISI 1020工件材料。切削速度vc的范圍是182～225m／min。刀具前角為0°，后角為5°，進給量為0.1mm，背吃刀量為2mm。

1.1 月牙洼磨損輪廓的測量

本文使用的前刀面月牙洼磨損輪廓測量裝置，把CCD激光位移傳感器與一個二維微動平臺結合在一起，如圖1所示。此激光位移傳感器擁有0.1μm的分辨力和30μm直徑的光束點，測量目標的位置變化范圍為±1mm。激光位移傳感器能測量一維數(shù)據(jù)，將它與一個二維微動平臺組合使用后，即可實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)測量。

實驗采用的微動平臺由2個分辨力為10nm的直線電機驅動，直線電機由控制系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)自動微進給。測量過程中，刀具放置在微動平臺上，CCD激光位移傳感器固定在被測月牙洼表面的上方，以實現(xiàn)月牙洼深度的測量。刀具隨微動平臺沿月牙洼寬度方向移動，即可實現(xiàn)月牙洼截面輪廓的測量。測量過程中，位移傳感器數(shù)據(jù)采集點的間距為1μm，這樣的數(shù)據(jù)密度足可以清楚地展示月牙洼的磨損輪廓。

1.2 切削溫度和切削力的測量

在切削實驗中，一般很難測量刀屑交界面的溫度分布，所以本研究采用有限元切削仿真的方法計算刀屑交界面上的溫度分布。本研究還通過實驗測量了刀具前刀面附近局部點的溫度，同時測量了切削力，并使用這兩個測量參數(shù)來驗證有限元仿真的正確性。實驗使用電火花成形加工設備在刀屑交界面下部打直徑為1mm的孔，然后將一個直徑為1mm的K型鎳鉻－鎳硅微細鎧裝熱電偶固定在孔內（用來測量刀具的局部溫度）。為了保證測量的準確性，需確保熱電偶前端與孔的末端緊密接觸以形成良好的熱傳遞。3組實驗中，孔端距主切削刃和前刀面的距離在0.6～1.1mm范圍內。在測量切削溫度的同時，還使用了Kistler9257B動態(tài)測力儀來測量切削過程中的切削力。切削仿真計算的主切削力最符合實際加工情況，研究者經(jīng)常把它作為仿真是否有效的標準［1］，所以本研究主要使用主切削力Fc的測量結果。

1.3 實驗測量結果

圖2展示了用于擬合模型的實驗測量結果。其中，切削力在加工過程中相對穩(wěn)定，取整個穩(wěn)態(tài)過程的平均值作為測量結果Fc；熱電偶所測量的刀具局部點的溫度在20s內基本達到穩(wěn)態(tài)，之后隨著切削時間的增加，溫度稍有升高，把溫度最大值作為熱電偶測量點的穩(wěn)態(tài)溫度值θ。另外兩組實驗測量的切削力和溫度結果列于表1中，圖3是對應的月牙洼磨損輪廓測量結果。

表1 不同切削速度下的實驗測量結果

2 刀屑交界面溫度仿真研究

在切削實驗中，由于切削寬度遠遠大于切削深度，所以可以假設切削區(qū)域處于平面應變狀態(tài)，即可以使用二維切削仿真技術來求解切削區(qū)溫度。

2.1 FEM 模型

本次仿真使用熱力耦合和熱傳遞分析來求解刀屑交界面的溫度分布和刀具內部局部點溫度。首先，使用Deform 2D進行切削過程熱力耦合分析，采集刀屑交界面上的溫度數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為刀具熱傳遞分析的熱源。然后，使用ANSYS軟件的熱傳遞分析模塊求解整個刀具的穩(wěn)態(tài)溫度場以及熱電偶端點的穩(wěn)態(tài)溫度值。

在熱力耦合分析中，使用Wanheim等［2］提出的常剪切摩擦模型τ＝μsτs，其中，τ為摩擦應力，τs為切屑材料在刀屑接觸面上的剪切流動應力，μs為常剪切摩擦因數(shù)，普通速度下切削碳鋼材料時，μs設置為0.82可以獲得較為理想的切削力和切削溫度的仿真結果［3］。仿真中，刀屑交界面的傳熱系數(shù)K的大小在很大程度上決定了刀具和切屑間熱量的傳遞，一些學者使用一種人為增大刀屑交界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的方法來提高仿真溫度計算的 準 確 性［4］。 Filice 等［5］的 研 究 表 明，K＝1000kW／（m2·K）可以獲得較為滿意的溫度計算結果，因此本研究的切削仿真也使用該值。

2.2 仿真結果與實驗結果的比較

切削仿真中計算的切削力和溫度與實驗測量值列于表2。仿真結果與實驗結果的誤差在切削仿真誤差的范圍之內，因此可認為本研究使用的有限元切削仿真技術能夠作為預測刀屑交界面溫度分布的有效工具，表2中的仿真結果可以作為刀具磨損模型的溫度輸入數(shù)據(jù)。

表2 實驗測量值與仿真結果的比較

3 磨損模型

為了確定普通速度切削時刀具前刀面月牙洼的磨損機理，使用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）檢測了一組車削測試后月牙洼的磨損表面。圖4是月牙洼磨損表面的掃描電鏡照片，相對光滑的磨損表面上有少量的黏附材料。圖5所示為對圖4中月牙洼表面光滑處（點1處）和凸起處（點2處）進行能譜分析的結果。在點1處，僅僅探測出C、W和Ti三種元素，它們都是P10（WC－TiC－Co）刀具的組成元素，而Co元素的缺失可能是由于它已經(jīng)擴散到切屑材料中。在點2處，不僅存在刀具中的元素，同時也發(fā)現(xiàn)了大量Fe、O元素以及少量的Si。Fe是工件材料的主要元素，Si是工件材料中的微量元素，O元素可能是由于加工時高溫環(huán)境下切屑或刀具材料的氧化而產(chǎn)生的。在月牙洼表面檢測到Fe和Si元素，可以證實切屑中的材料一定程度被黏結到月牙洼表面并形成凸起點。從前面的分析可知，在月牙洼磨損形成過程中，刀具內部元素向切屑不斷擴散的同時，也有部分切屑材料黏結到磨損表面。因此可以大致推測，使用硬質合金刀具在普通速度下加工碳鋼時，黏結磨損和擴散磨損同時發(fā)生在前刀面的月牙洼磨損中。在以前的刀具磨損研究中，很多學者也認為在普通速度切削時黏結磨損和擴散磨損是刀具磨損的主要機理［5－7］。

3.1 磨損模型的建立

根據(jù)上述對普通速度切削磨損機理的分析，本研究將使用一個復合磨損模型，即同時考慮黏結磨損和擴散磨損，來確定普通速度切削中刀具前刀面的月牙洼磨損。本文將分別使用Usui的經(jīng)驗模型和Arrhenius法則來描述黏結磨損和擴散磨損。由于黏結磨損和擴散磨損在月牙洼磨損過程中同時發(fā)生，因此總磨損率w·應該是黏結磨損率和擴散磨損率二者之和：

式中，σn為刀屑交界面上的法向應力，MPa；vs為切屑底層材料相對前刀面的滑動速度，m／s；Θ為刀屑交界面上的溫度分布，K；K1、K2、K3、K4均為取決于刀具工件材料和切削條件的常系數(shù)。

由式（1）可知，根據(jù)磨損表面溫度、壓力和滑動速度的分布，就可以計算出磨損率。刀屑交界面的溫度分布可以從有限元仿真中求得。壓力σn和滑動速度vs在實驗中是很難測量的，因此將使用兩個分析模型來計算。

壓力模型由一個冪函數(shù)來表達，如下式所示：

式中，p0為刀尖處的法向應力；Lc為刀屑接觸長度；x為被求解點與刀尖的距離；η為控制應力曲線的形狀系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，η＝2是較為合理的選擇。

Tay等［8］的切屑速度模型被用來計算刀屑接觸區(qū)的相對滑動速度：

式中，vchip為切屑移動速度。

3.2 模型中系數(shù)的擬合

月牙洼磨損模型中的系數(shù) K1、K2、K3、K4需要通過實驗擬合的方法來確定。圖2和圖3中的一組實驗結果可以作為擬合數(shù)據(jù)。將整個月牙洼磨損輪廓劃分成一些間距相等的離散點，等分間距為5μm。獲取磨損輪廓上每一個離散點對應的月牙洼磨損深度、溫度、法向應力和滑動速度值后，就可以進行數(shù)據(jù)的擬合。式（1）已經(jīng)根據(jù)刀具前刀面磨損機理給出了回歸方程，對實驗和模型中獲得的Θ、σn、vs和w·進行多元非線性回歸分析，即可求解方程中的系數(shù)K1、K2、K3、K4。

式（5）是月牙洼磨損模型的回歸分析結果：

圖3比較了實驗測量的月牙洼磨損輪廓和使用式（5）磨損模型計算的磨損輪廓。結果表明，磨損模型計算的月牙洼磨損輪廓與實驗測量的磨損輪廓基本一致。但是，實驗測量的磨損輪廓并不光滑，輪廓上分布一些凸起點。這是由于在黏結磨損中，材料的剪切發(fā)生在交界面的兩側，當剪切發(fā)生在切屑材料上時，切屑材料將被黏結在刀具表面形成凸起點。磨損模型考慮理想的黏結磨損和擴散磨損狀態(tài)，并使用模擬的切削過程變量，因此獲得了光滑的月牙洼磨損輪廓。

3.3 模型計算結果與分析

上述擬合所得的月牙洼磨損模型可以預測相似切削條件下的月牙洼磨損，結果如圖6所示。預測結果表明，磨損模型能夠大致預測出相似切削條件下的月牙洼磨損輪廓。在刀尖附近區(qū)域，預測的月牙洼深度稍大于實際值。實驗結果表明，在刀尖附近區(qū)域，磨損表面上分布了很多凸起點，這是因為刀尖附近較大的壓力導致了黏結磨損的發(fā)生，這些黏結材料阻礙了擴散磨損的進行，因此刀尖附近區(qū)域的月牙洼磨損深度較小。

4 結論

（1）提出的月牙洼磨損模型同時考慮了黏結磨損和擴散磨損，該模型建立了單位時間內月牙洼磨損深度與切削過程變量（溫度、壓力和速度）之間的關系。

（2）切削過程有限元仿真能夠提供有效的刀屑交界面溫度分布數(shù)據(jù)，本文使用的仿真技術能夠應用到刀具磨損模型的擬合和預測中。應用回歸分析方法可以計算出磨損模型中的系數(shù)。分析結果表明，該磨損模型可以大致預測出相似切削條件下月牙洼的磨損輪廓。

（3）切削過程的是一個非常復雜的熱力耦合過程，在切削中很難通過單一的模型來預測所有加工特性和切削條件下的加工過程。本文的研究僅針對確定的刀具和工件材料組合以及小范圍的切削條件，這是因為大的切削條件范圍以及不同的刀具和工件材料組合將導致切削過程變量有較大的變化，磨損機理和磨損模型也將發(fā)生變化。筆者將對其他切削條件下的刀具磨損模型繼續(xù)開展研究。

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