基于ABAQUS的倒棱參數(shù)與切削力關(guān)系的研究*

陶 亮，劉愛軍，陳 超，紀(jì) 斌，潘克強(qiáng)

(1.貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003；2.襄陽汽車軸承股份有限公司 工具分廠，湖北 襄陽 441022)

0 引言

PCBN材料因具有高硬度、良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于硬態(tài)切削[1]。但PCBN材料脆性較大，在實(shí)際加工中常采用刀具刃口倒棱方式以提升切削刃強(qiáng)度。但該方式會對切削力造成較大影響，從而產(chǎn)生加工精度降低、刀具磨損加劇等不利現(xiàn)象，因此研究倒棱參數(shù)對切削力的影響規(guī)律應(yīng)該引起足夠的重視。

目前，PCBN刀具倒棱參數(shù)對切削力影響的研究較少，國內(nèi)外研究主要集中在切削用量、切削方式以及材料硬度等對切削力的影響方面。Kurt A等通過球墨鑄鐵干切削試驗(yàn)研究了切削用量對切削力、刀具磨損等的影響[2]。Ng E G等利用FORGE 2軟件模擬了AISI H13鋼的正交切削過程，研究了切削速度對切削力、切削溫度等的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。焦鋒等完成了45淬火鋼的普通硬車削與超聲振動硬車削對比試驗(yàn)，研究了兩種切削方式下切削用量對切削力和切削溫度的影響規(guī)律[4]。許吉榮等進(jìn)行了干式車削不同硬度Cr12MoV鋼的試驗(yàn)，分析了工件材料淬硬狀態(tài)對切削力的影響[5]。

本文以PCBN刀具硬態(tài)干式切削40CrNiMo鋼為研究對象，采用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了不同倒棱參數(shù)條件下的熱力耦合切削仿真，研究了倒棱參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為倒棱參數(shù)選擇和實(shí)際切削加工提供理論指導(dǎo)。

1 切削模型的建立

1.1 材料本構(gòu)模型

本文采用廣泛使用的Johnson-Cook本構(gòu)模型，它適用于實(shí)際切削過程中的高溫、大變形以及大應(yīng)變速率場合，具體形式為：

(1)

表1 工件材料J-C本構(gòu)參數(shù)

1.2 斷裂準(zhǔn)則

采用Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則模擬實(shí)際切削過程中材料40CrNiMo的材料斷裂，其數(shù)學(xué)模型為[7]：

(2)

表2 工件材料J-C失效模型參數(shù)

該模型中材料斷裂衡量參數(shù)為：

(3)

式中，Δε為每個增量步的等效塑性應(yīng)變ε的增量。當(dāng)D≥1時材料失效。

1.3 摩擦模型

前刀面與切屑接觸面的摩擦應(yīng)力分布在內(nèi)摩擦和外摩擦兩個區(qū)域。內(nèi)摩擦區(qū)域內(nèi)金屬材料產(chǎn)生剪切滑移變形，摩擦應(yīng)力為：

τ=kchip(μσn(x)≥mk)

(4)

外摩擦區(qū)域內(nèi)刀-屑間產(chǎn)生滑動摩擦且符合庫倫摩擦定律，摩擦應(yīng)力為：

τ=μσn(x)
(μσn(x)

(5)

式(4)、式(5)中：τ為摩擦應(yīng)力；kchip為切屑剪切流動應(yīng)力；μ為滑動摩擦系數(shù)；σn(x)為法向應(yīng)力；m為剪切摩擦系數(shù)；k為剪切流動力。

本文將刀-屑摩擦類型近似為滑動摩擦，在ABAQUS中用修正的庫侖摩擦模型模擬刀-屑滑動摩擦，摩擦系數(shù)μ取為0.5[8]。

1.4 切削模型與網(wǎng)格劃分

當(dāng)切削寬度為切削厚度的5倍以上時，切削過程表現(xiàn)出明顯的平面應(yīng)變特征，此時可將切削過程處理為平面應(yīng)變問題，三維切削過程可近似模擬為二維切削過程[9]，因此本文采用二維切削模型來研究不同倒棱參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。建立的工件切削模型被分為工件基體、分離層、切削層以及刀具4部分，采用穩(wěn)定性較好的4節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性減縮積分、溫度-位移耦合平面應(yīng)變(CPE4RT)單元[7]，如圖1所示，刀具參數(shù)和采用的切削用量參數(shù)如表3所示。

考慮到室溫會對切削過程會產(chǎn)生一定的影響，為確保仿真的準(zhǔn)確性，將工件和刀具的初始溫度均設(shè)為20℃。整個切削過程中工件保持靜止?fàn)顟B(tài)，在工件基體左右兩邊和切削層右邊施加X方向平移約束，工件基體底部施加固定約束。刀具則以一定的速度進(jìn)行直線運(yùn)動，且整個切削過程不考慮刀具的變形，故將其設(shè)為剛體并施加Y方向平移約束。

(倒棱寬度0.1mm；倒棱角度-10°)圖1 二維正交切削模型

切削條件數(shù)值倒棱角度(°)5、10、15、20倒棱寬度(mm)0.1、0.15、0.2、0.25、0.3刀具前角(°)-5刀具后角(°)5切削深度(mm)0.1進(jìn)給量(mm/r)0.1切削速度(m/s)3

1.5 材料力學(xué)物理性能

刀具材料為聚晶立方氮化硼PCBN，工件材料為40CrNiMo，兩者主要力學(xué)和物理性能如表4所示[10-12]。

表4 刀具和工件材料主要力學(xué)、物理性能

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同倒棱參數(shù)下的主切削力變化

圖 2是不同倒棱參數(shù)下的主切削力時域變化曲線，從圖中可知：整個切削過程可以分為初始切削和穩(wěn)定切削兩個階段；初始階段刀具接觸到工件并開始切削，逐漸形成切屑，主切削力增加較快；穩(wěn)定切削階段主切削力增長幅度較小，處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)；主切削力隨著倒棱角度(絕對值)與倒棱寬度的增加而增加，且明顯高于無倒棱時的切削力。

圖2 不同倒棱參數(shù)時主切削力變化曲線

2.2 倒棱寬度對切削力的影響

圖3為倒棱寬度對切削力的影響曲線圖，從圖中可以看出：隨著倒棱寬度的增加，主切削力Fc和進(jìn)給力Ff均有所增長。主要原因?yàn)椋旱估鈱挾仍黾蛹觿×饲邢魅械拟g化程度，增加了刀-屑接觸長度，最終導(dǎo)致切削力變大[13-14]。

圖3 倒棱寬度對切削力的影響

2.3倒棱角度對切削力的影響

圖4為倒棱角度對切削力的影響圖，從圖中可以看出：隨著倒棱角度(絕對值)的增加，主切削力和進(jìn)給力均呈增長趨勢，這是因?yàn)榈估饨嵌仍黾邮沟毒哓?fù)前角和楔角變大，增大了切屑變形，從而產(chǎn)生了更大的切削力[13-14]；倒棱角度對進(jìn)給力的影響更為顯著，進(jìn)給力增長幅度明顯高于主切削力，主要原因?yàn)榈估饨嵌仍黾邮沟估鈪^(qū)域刀-屑接觸面積和進(jìn)給方向切削長度增大,導(dǎo)致進(jìn)給力明顯增長[15-16]。

圖4 倒棱角度對切削力的影響

3 結(jié)論

本文基于有限元分析軟件ABAQUS在不同倒棱角度與倒棱寬度條件下對工件材料40CrNiMo進(jìn)行切削仿真分析，得出的倒棱參數(shù)與切削力的關(guān)系如下：

(1)倒棱刃切削力明顯高于同等切削條件下鋒刃的切削力。

(2)隨著倒棱寬度和倒棱角度的增大，主切削力、進(jìn)給力均呈增長趨勢。

(3)倒棱寬度一定時，倒棱角度對進(jìn)給力的影響更為顯著，進(jìn)給力增長幅度明顯高于主切削力。

基于上述結(jié)論，在精度要求較高時應(yīng)選擇較小的倒棱角度和寬度，以減少因切削力過大引起的加工誤差。