高速切削GCr15切削力的仿真與實(shí)驗(yàn)研究*

邱　慧，班新星，紀(jì)蓮清，王明義

(1. 鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州　450064; 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,西安　710049; 3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,鄭州　450002)

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高速切削GCr15切削力的仿真與實(shí)驗(yàn)研究*

邱慧1，班新星2，紀(jì)蓮清3，王明義3

(1. 鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州450064; 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,西安710049; 3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,鄭州450002)

應(yīng)用Deform-3D軟件建立刀具-工件三維有限元模型，研究了PCBN刀具高速切削GCr15淬硬鋼的切削機(jī)理，得出不同切削參數(shù)下切削力的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析獲得了最優(yōu)切削參數(shù)。在最優(yōu)切削參數(shù)下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在切削深度和進(jìn)給量不變的情況下，不同切削速度下的切削力模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)是一致的，并且其誤差不超過(guò)10%，這表明利用Deform-3D有限元軟件建立三維切削模型可以有效模擬PCBN刀具高速切削GCr15軸承鋼的切削過(guò)程。

有限元模擬； 高速切削； 超硬刀具； 切削力

0　引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，簡(jiǎn)稱PCBN)作為超硬刀具材料，具有良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性[1]，普遍應(yīng)用于淬硬鋼、冷硬鑄鐵及其它高硬黑色金屬的高速切削加工[2]，并且隨著數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)加工設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使用PCBN刀具以硬態(tài)切削替代磨削工藝已成為加工淬硬軸承鋼的新途徑[3]。GCr15是一種最常用的高鉻軸承鋼，經(jīng)過(guò)淬火加回火后具有較高的硬度，其硬度可達(dá)HRC60～62，主要應(yīng)用于制作各種軸承套圈和滾動(dòng)體，屬于難加工材料行列[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)PCBN刀具高速切削GCr15的過(guò)程進(jìn)行了研究分析[5-8]，主要集中在PCBN刀具的磨損機(jī)理、刀具幾何參數(shù)、GCr15表面粗糙度、切屑形成機(jī)理、殘余應(yīng)力、表面白層等方面，而針對(duì)PCBN刀具高速切削GCr15切削力的研究較少。文中通過(guò)使用有限元軟件Deform-3D，系統(tǒng)研究了PCBN刀具高速切削GCr15時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，得到了切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，并通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1　材料與模型

1.1刀具材料

在硬態(tài)車削加工中，由于低含量CBN刀具比高含量CBN刀具擁有較高的抗沖擊性能和刀具耐用度[9]，并且具有更好的加工表面質(zhì)量，通常采用CBN含量較低的PCBN刀具，其機(jī)械性能如下：彈性模量587GPa；密度4280kg/m3；泊松比0.15；比熱容750J/kg·℃；熱傳導(dǎo)系數(shù)44W/m·℃；熱膨脹系數(shù)4.7×10-6/℃。本實(shí)驗(yàn)所用的PCBN刀具幾何參數(shù)為刃傾角λs為0°，前角γ0為0°，后角α0為6°，刃口鈍圓半徑rε為0.4mm。

1.2工件材料

高鉻軸承鋼GCr15具有高淬透性，經(jīng)熱處理后可獲得硬度為62HRC，屬于典型的難加工材料[10]，其物理力學(xué)性能如下：楊氏模量217GPa；密度7850kg/m3；熔點(diǎn)1487℃;泊松比0.3；熱傳導(dǎo)系數(shù)39W/m·℃；熱膨脹系數(shù)14.4×10-6/℃。

1.3材料的本構(gòu)模型

目前，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬時(shí)，廣泛使用的本構(gòu)模型是Johnson-Cook模型[11]，它能夠很好的描述大部分金屬在大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的材料本構(gòu)行為，其表達(dá)式為：

(1)

1.4材料的失效模型

Johnson-Cook模型以等效塑性應(yīng)變作為材料的斷裂原則，提出以下材料失效模型：

(2)

在Johnson-Cook材料失效模型中，材料斷裂的衡量參數(shù)定義為：

(3)

2　切削模擬

2.1切削模擬參數(shù)選擇

參考相關(guān)文獻(xiàn)[12-15]并結(jié)合實(shí)際切削情況，選取刀具的幾何參數(shù)為：刃傾角λs為0°，前角γ0為0°，后角α0為6°，刃口鈍圓半徑rε為0.4mm；切削參數(shù)：切削速度v為100、120、150、180、200、220m/min，進(jìn)給量f為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25mm/r，切削深度ap為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3mm。

2.2切削力模擬結(jié)果及分析

切削力是切削過(guò)程中重要的物理參數(shù)之一，它的大小不僅影響加工工藝系統(tǒng)，還影響著工件的加工質(zhì)量和加工精度[16]。因此，研究加工過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，可以為高速切削加工中切削參數(shù)的選擇提供科學(xué)的理論依據(jù)。

在模擬過(guò)程中，切削力并非是穩(wěn)定不變的，而是在某一平衡值附近上下振蕩，這與實(shí)際切削過(guò)程中切削力的變化是一致的。造成這種現(xiàn)象的原因是，在實(shí)際切削中，隨著刀具剛接觸工件，材料會(huì)先產(chǎn)生彈性變形，接著工件材料內(nèi)部的晶格進(jìn)行滑移并發(fā)生塑性變形，此時(shí)切削力增大；隨著刀具的繼續(xù)前進(jìn)，在切削刃附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)材料的金屬剪應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)，切屑就被剝離，此時(shí)切削力會(huì)相應(yīng)隨之降低。此過(guò)程周而復(fù)始，因次切削力曲線為一定范圍內(nèi)的振動(dòng)波，如圖1所示。將切削力以文本格式進(jìn)行輸出，然后求其均值即可得出模擬切削力大小。

圖1　車削GCr15模擬示意圖

2.2.1切削速度對(duì)切削力的影響

進(jìn)給量f和切削深度ap分別為0.05mm/r、0.1mm，切削速度與切削力之間的關(guān)系如圖2所示。切削速度從100m/min增加到220m/min，進(jìn)給分力Fx和徑向抗力Fz變化非常小，上下浮動(dòng)大約在1N左右，而主切削力Fy的變化相對(duì)較大，最大浮動(dòng)達(dá)到11N。當(dāng)切削速度從100m/min增加到180m/min時(shí)，進(jìn)給分力Fx和徑向抗力Fz隨著切削速度的增加而略有增加，但變化并不是很明顯，上下浮動(dòng)不超過(guò)0.1N；主切削力Fy隨著切削速度的增加而增大，增大幅度達(dá)到7.2N，這主要是因?yàn)橹髑邢髁y垂直于基面，與切削速度的方向一致。當(dāng)切削速度從180m/min增加到220m/min，進(jìn)給分力Fx和徑向抗力Fz隨著切削速度的增加而略有減小，主切削力Fy隨著切削速度的增加而降低。

圖2　不同切削速度下的切削力模擬結(jié)果

2.2.2進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

切削速度v和切削深度ap分別為150m/min、0.1mm，進(jìn)給量與切削力之間的關(guān)系如圖3所示。進(jìn)給分力Fx、徑向抗力Fz和主切削力Fy都隨著進(jìn)給量的增加而增加，切削合力也隨著進(jìn)給量的增加而增加。在刀具切削時(shí)，三個(gè)切削分力中主切削力Fy是最大切削分力，對(duì)切削合力起主導(dǎo)作用，進(jìn)給量f的改變引起最大變化的切削分力是主切削力Fy，所以進(jìn)給量f的改變也使得切削合力發(fā)生巨大變化。當(dāng)進(jìn)給量從0.05mm/r增至0.25mm/r時(shí)，切削合力從66.8N增大到191.1N。

圖3　不同進(jìn)給量下的切削力模擬結(jié)果

2.2.3切削深度對(duì)切削力的影響

切削速度v和進(jìn)給量f分別為150m/min、0.1mm/r，切削深度與切削力之間的關(guān)系如圖4所示。切削深度ap對(duì)切削力的影響最大，ap每增加一倍，切削力也增大一倍。這是因?yàn)榍邢魃疃萢p增大，切削面積Ac成正比增加，彈塑形變形總量及摩擦力增加，而單位切削力不變，因而切削力成正比增加。當(dāng)切削深度從0.1mm增加到0.3mm時(shí)，切削合力從94.7N增加到283.5N，可見(jiàn)，在切削用量中，切削深度對(duì)切削力的影響最大。

圖4　不同切削深度下的切削力模擬結(jié)果

綜上所述，從模擬結(jié)果中可以看出，切削深度ap對(duì)切削力的影響最大，進(jìn)給量f次之，切削速度v最小。切削力隨著切削深度ap的成倍增加而成正比增加，這是因?yàn)榍邢魃疃萢p增大，切削面積Ac成正比增加，摩擦力及彈塑形變形總量也相繼成正比增加；進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響次之，切削面積Ac隨著進(jìn)給量f增大也相應(yīng)增加，但是其變形程度減小，致使單位切削力下降，因而切削力并不隨著f成倍增加而增加；切削速度v對(duì)切削力的影響最小，并且在速度增加到一定程度時(shí)，切削力反而會(huì)相應(yīng)減小，并趨于某一穩(wěn)定值。

為保證刀具的耐用度及切削效率，加工GCr15的工藝參數(shù)應(yīng)選擇較高的切削速度、較小的切削深度和進(jìn)給量，推薦選?。呵邢魉俣葹?50m/min，切削深度為0.1mm，進(jìn)給量為0.1mm/r。

3　切削實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)刀具：采用鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司生產(chǎn)的PCBN刀具，刀桿使用45°偏頭外圓車刀刀桿CSSNR2525-150，刃傾角λs為0°，前角γ0為0°，后角α0為6°，刃口鈍圓半徑rε為0.4mm。

加工工件：GCr15軸承鋼。

切削參數(shù)：切削速度v分別為100、150、200m/min，進(jìn)給量f為0.1mm/r，切削深度ap為0.1mm。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：車床采用CA6240；測(cè)力系統(tǒng)采用瑞士Kistler9257B三向測(cè)力儀。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

切削過(guò)程中使用測(cè)力裝置獲得電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大器放大，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最后通過(guò)利用Dyno Software軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而得出切削力數(shù)值顯示在計(jì)算機(jī)上，如圖5所示，將切削力數(shù)值以文本格式輸出，取穩(wěn)態(tài)部分求均值即可得到切削過(guò)程中切削力的大小。

圖6顯示了模擬過(guò)程同實(shí)驗(yàn)過(guò)程中切削力的對(duì)比情況，從對(duì)比曲線中可以看出，切削力模擬值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)是一致的，切削速度從100m/min增加到150m/min，切削力也相應(yīng)的增加，當(dāng)切削速度為200m/min時(shí)，切削力有所下降，這符合高速切削的變化規(guī)律。比較切削力模擬值和實(shí)驗(yàn)值可知，實(shí)驗(yàn)值比模擬值要大，不過(guò)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差不超過(guò)10%，究其原因是由于刀具磨損增大導(dǎo)致刀具角度改變?cè)斐傻摹Ｔ趯?shí)際切削過(guò)程中，由于GCr15中存在大量的硬質(zhì)顆粒，刀具磨損較大，使得刀具-切屑接觸面積減少，加劇刀具的磨損，使刀具角度在較短切削時(shí)間內(nèi)發(fā)生了很大改變，刀具變鈍，刀具前角增大，造成切削過(guò)程中切削力的增大。

圖5　150m/min時(shí)的切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6　切削力模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)PCBN高速車削GCr15過(guò)程進(jìn)行模擬，得到了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律和最佳切削參數(shù)，同時(shí)在最佳切削參數(shù)下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)應(yīng)用Deform軟件建立三維有限元模型并對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行仿真，得出切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)切削力隨著切削速度、切削深度和進(jìn)給量的增加總體上呈上升趨勢(shì)。

(2)通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析獲得了PCBN刀具高速切削GCr15最佳切削參數(shù)：切削速度為150m/min，切削深度為0.1mm，進(jìn)給量為0.1mm/r。

(3)切削實(shí)驗(yàn)表明，在切削深度和進(jìn)給量不變的情況下，不同切削速度下的切削力模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)是一致的，并且其誤差不超過(guò)10%，進(jìn)一步驗(yàn)證了使用Deform軟件建立有限元模型并對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行仿真可以準(zhǔn)確模擬GCr15軸承鋼的切削加工過(guò)程。

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(編輯趙蓉)

Study on Simulation and Experiment of Cutting Force in High Speed Cutting GCr15

QIU Hui1, BAN Xin-xing2, JI Lian-qing3, WANG Ming-yi3

(1.Mechanical Engineering Institute, Zhengzhou University of Science & Technology, Zhengzhou 450064, China; 2.School of Mechanical Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

The cutting mechanism of high-speed cutting of hardened GCr15 steel using PCBN tools was studied through building tool-workpiece three dimension finite element model with Deform-3D software. Variation law of cutting force under different cutting parameters was obtained based on the simulation results, and the optimum cutting parameters were obtained through analysis of the simulation results. Cutting experiments were carried out under the optimum cutting parameters. The experimental results showed that Simulated and experimental data were consistent with the trend under different cutting speed at the condition of the cutting depth and feed rate unchanged, and the error did not exceed 10%. That indicates three dimension finite element model built using Deform-3D software can accurate high-speed cutting process of hardened GCr15 steel using PCBN tools.

finite element simulation; high-speed cutting; super-hard cutting tool; cutting force

1001-2265(2016)04-0154-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.041

2015-05-26

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210509)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(21206152)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(0910SGYG23259-2)

邱慧(1987—)，女，黑龍江齊齊哈爾人，鄭州科技學(xué)院助教，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，(E-mail)qiuhuihere1987@163.com。

TH162;TG506

A