微槽車刀切削304不銹鋼切削力及切削能分析*

吳艷英，鄒中妃，吳錦行

(1.貴州理工學(xué)院機械工程學(xué)院，貴陽 550003；2.貴州民族大學(xué)機械電子工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

304不銹鋼具有較好的抗高溫、耐腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域。但由于其良好的塑性，切削過程中切削力較大，切削能消耗大，刀具易磨損，服役壽命較短。為了降低切削使用成本，提高切削效率，許多學(xué)者對切削過程及刀具設(shè)計進行了研究。

SINGH等[1]通過對比干式、菜籽油潤滑和在菜籽油環(huán)境下混合石墨烯條件下的切削，發(fā)現(xiàn)混合石墨烯潤滑條件下刀具的磨損更慢，表面形貌更好。WANG等[2]發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)刀具切削過程中潤滑膜的形成與織構(gòu)密切相關(guān)，通過對比發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)刀具潤滑效果更加良好，有效降低摩擦系數(shù)，減小工件表面粗糙度。GUANG等[3]制備了新型的微織構(gòu)自潤滑刀具，通過實驗發(fā)現(xiàn)，刀具的切削性能更好的減摩性能和耐磨性。蘇宇、肖虎等[4-5]利用低溫微量潤滑條件進行切削，發(fā)現(xiàn)MQL條件下可有效減小刀具與工件的摩擦狀態(tài)，減小刀具磨損。

AHMED等[6]通過激光飛秒技術(shù)在刀具前刀具制備平行、垂直、矩形形狀的微槽刀具，發(fā)現(xiàn)微槽刀具比常規(guī)刀具主切削力、進給力下降，矩形刀具獲得更好的工件表面質(zhì)量。刀具的表面織構(gòu)能夠提高刀具的抗粘著和抗磨損能力[7-8]，提高了刀具的加工性能。刀具表面的微織構(gòu)還可以減小刀具-切屑界面長度，增加傳熱面積，存儲切屑碎屑[9]。KAWASEGI等[10-11]在刀具上前刀面上制備了垂直、交叉、混合結(jié)構(gòu)微槽，在切削5052鋁合金時發(fā)現(xiàn)，垂直的微織構(gòu)能夠有效降低切削力和摩擦力。于占江等[12]制備了微槽刀具，通過實驗對比微織構(gòu)刀具的刀屑接觸狀態(tài)獲得改善，刀屑摩擦減小，加工工件表面粗糙度更小。

以上的研究均在一定程度上提高了刀具的切削性能，但大多居于工程經(jīng)驗或試錯法進行刀具的設(shè)計，理論依據(jù)不充分。本研究以刀具前刀面切削仿真溫度場為依據(jù)，以減小切削高溫區(qū)域和刀-屑接觸為目標(biāo)進行微槽設(shè)計，通過單因素實驗，對比原刀具和微槽刀具的切削力和切削能變化，結(jié)合實驗和理論進行分析，揭示微槽刀具切削力和切削能變化的原因，設(shè)計理論充分，實驗操作及驗證可行。

1 實驗方法與過程分析

1.1 刀具的設(shè)計

304不銹鋼屬于典型的難加工材料，切削304不銹鋼過程中，刀具與切屑之間發(fā)生劇烈的擠壓與摩擦，刀-屑接觸應(yīng)力很大，刀具的前刀面溫度很高，瞬時高溫甚至達到近750 ℃，這大大加快了刀具的磨損，刀具服役壽命較短。切削過程中，由于溫度較難精確捕捉，通常通過切削仿真模擬刀具的溫度分布。運用專用的切削仿真軟DEFORM，使用傳統(tǒng)刀具對304不銹鋼進行切削仿真，使用廠商推薦的切削參數(shù)：切削速度Vc=120 m/min，進給量f=0.15 mm，切削深度ap=1.5 mm。刀具及工件材料使用軟件自帶的材料庫，刀具使用的是以WC為基體的材料，工件使用AISI 304材料。仿真結(jié)束后，在后處理過程中提取刀具A前刀面高溫范圍的溫度點和相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

(a) 原刀具 (b) 刀具切削仿真 (c) 前刀面溫度分布

把這些溫度數(shù)據(jù)點導(dǎo)入MATLAB中，依據(jù)溫度范圍確定刀具表面合理的溫度邊界，建立溫度場的非均勻樣條曲線，以非均勻樣條曲線為基礎(chǔ)，建立微槽刀具的幾何模型，導(dǎo)入NX 8.5當(dāng)中進行微槽造型，作出刀具B的三維模型。通過與原刀具相同的粉末冶金加工工藝制造出微槽刀具。通過化學(xué)氣相沉淀在刀具表面添加涂層TiAlN。它的厚度約為5 μm，其中Ti含量32%，Al含量36%，N含量32%。微槽車刀刀具形狀如圖2所示。

(a) 微槽刀具三維模型 (b) 微槽刀具實體模型 (c) 切削實驗平臺

1.2 對比實驗設(shè)計及分析

本文將以刀具廠商推薦的切削參數(shù)為基礎(chǔ)，通過切削試刀實驗，選擇合適的切削參數(shù)范圍，對原刀具和微槽刀具進行單因素切削實驗。在不同切削參數(shù)條件下，應(yīng)用測試儀器獲取原刀具和微坑刀具的切削力數(shù)值，并運用金屬切削原理，計算出切削過程中，摩擦能和剪切能的數(shù)值。把切削三向力和切削能量繪制在坐標(biāo)圖內(nèi)，通過對比分析切削力和切削能數(shù)值變化的原因，結(jié)合微槽刀具結(jié)構(gòu)特點，解釋變化的緣由。

1.2.1 切削力對比

通過切削試驗，運用切削測力儀KISLER-9257B測試三向切削力，原車刀和微坑車刀切削力單因素實驗如表1所示，同時三向切削力隨切削參數(shù)的變化如圖3所示。

表1 單因素試驗方案

為了更清晰地描述刀具切削力隨切削參數(shù)變化趨勢，本文通過繪制切削力隨切削速度、進給速度、切削深度變化的圖，如圖3～圖5所示。

(a) 切深抗力隨 切削速度變化 (b) 主切削力隨 切削速度變化 (c) 進給抗力隨 切削速度變化

(a) 切深抗力隨 切削深度變化 (b) 主切削力隨 切削深度變化 (c) 進給抗力隨 切削深度變化

由圖3a所示，原車刀切深抗力Fx隨切削速度增加而增大，微坑車刀切深抗力隨切削速度增大先減小后緩慢增大，總體上原車刀切深抗力均高于微坑車刀；由圖3b可以看出，原車刀和微坑車刀的主切削力Fy隨切削速度的增大而增大，在相同的速度，原車刀主切削力比微坑車刀切削力增加10%；由圖3c可以看出，原車刀和微坑車刀的進給抗力Fz隨切削速度的增大而增大，在相同的速度，原車刀進給抗力比微坑車刀進給抗力增加10%。對于304不銹鋼，在一定切削速度范圍內(nèi)，隨切削速度的增大，刀具與切屑摩擦增大，切削力變大。

由圖4a所示，原車刀切深抗力Fx隨進給速度先增加后減小，微坑車刀切深抗力隨進給速度增大而緩慢增大，總體上原車刀切深抗力高于微坑車刀；由圖4b可以看出，原車刀和微坑車刀的主切削力Fy隨進給速度的增大而增大，在相同的進給速度，原車刀主切削力比微坑車刀切主削力增加超過8%；由圖4c可以看出，原車刀和微坑車刀的進給抗力Fz隨進給速度的增大而增大，在相同的進給速度，原車刀進給抗力比微坑車刀進給抗力增加10%以上。由于進給速度的增大，刀具切削面積將增大，因此刀具的切削力將增大。

(a) 切深抗力隨 進給速度變化 (b) 主切削力隨 進給速度變化 (c) 進給抗力隨 進給速度變化

由圖5a所示，原車刀和微坑車刀切深抗力隨切削深度增大而增加，總體上原車刀切深抗力略高于微坑車刀；由圖5b可以看出，原車刀和微坑車刀的主切削力Fy隨進給速度的增大而增大，在相同的切削深度，原車刀主切削力比微坑車刀主削力增加超過5%；由圖5c可以看出，原車刀和微坑車刀的進給抗力Fz隨切削深度的增大而增大，在相同的切削深度，原車刀進給抗力比微坑車刀進給抗力增加30%左右。

由于微槽的置入，刀具與切屑高接觸應(yīng)力的面積減小三分之二，大大減小了刀具與切屑之間的摩擦。使刀具的切削力減小。

1.2.2 切削能對比

原刀具和微坑刀具切削過程滿足三維斜角切削條件，為了對比刀具A、B刀-屑接觸摩擦因數(shù)、切削摩擦能和剪切能，論文繪制并分析了斜角切削模型，如圖6所示，同時對刀-屑摩擦因數(shù)、摩擦能和剪切能進行了理論推導(dǎo)。

圖6 斜角切削模型

依據(jù)經(jīng)典切削理論和斜角切削特點，我們可以得出以下公式：

(1)

(2)

式中，F(xiàn)s、vs、v、a、aw、f、ap、Ff、vc分別為剪切力、剪切速度、切削速度、切削厚度、未切削工件寬度、進給量、切削深度、摩擦力；Es、Ef分別為剪切能和摩擦能。在刀具切削過程中，切削熱主要轉(zhuǎn)化為剪切能和摩擦能。論文將結(jié)合已知的刀具參數(shù)和切削試驗測試的三向切削力，計算切削能[13-14]。

切削過程中，剪切能和摩擦能是刀具產(chǎn)生高溫及磨損的根本原因，是影響刀具壽命的關(guān)鍵因素。因此切削能的研究非常必要。由圖7a可以看出，原刀具和微坑刀具剪切能隨切削速度的增加而增大。由于切削速度的增大，刀具切削力增加，剪切能隨切削速度增加而增大。同時，由于相同情況下，微坑刀具的三向切削力更小，因此，剪切能更小。由圖7b可以看出，原刀具隨進給速度的增大先緩慢增加后快速增加，微坑車刀隨進給速度增加而增大；相同進給速度下，微坑車刀剪切能更小。由圖7c可以看出，隨著切削深度的增加原車刀和微坑車刀剪切能增加，相同切削條件下，微坑車刀剪切能更小。

(a) 剪切能隨切 削速度變化 (b) 剪切能隨進 給速度變化 (c) 剪切能隨切 削深度變化

由圖8a可得，隨著切削速度的增加原車刀和微坑車刀摩擦能增大，同樣由于三向切削力較小，微坑車刀摩擦能更小。由圖8b可以看出，隨著進給速度的增大原車刀和微坑車刀摩擦能增大，通過對比，微坑車刀摩擦能更小。由圖8c可得，隨著切削深度的增大原車刀和微坑車刀摩擦能增大，總體上微坑車刀摩擦能更小。

(a) 摩擦能隨切 削速度變化 (b) 摩擦能隨進 給速度變化 (c) 摩擦能隨切 削深度變化

通過原車刀和微槽車刀切削實驗發(fā)現(xiàn)微槽車刀在切削過程表現(xiàn)出更優(yōu)異的切削性能，切削力和切削能都降低。如圖9所示，微槽車刀切削過程中，由于前刀面微坑的存在，切屑流動將往微坑方向進入，在離微坑邊緣一小段距離處與微坑底部接觸，再由微坑另一邊沿處流出，這與刀具增大前角后的切削模式一樣，因此，微坑的存在增加了刀具的前角，刀具變得更加鋒利，由圖3～圖5可以看出，微槽刀具的三向切削力在不同切削參數(shù)條件下均比原刀具的更小。同時，由于微坑的存在，使剪切區(qū)的剪切角變大，刀具切削時，工件塑性變形更小，切削輸入能量減小，由圖6和圖7可以看出，相同切削條件下微坑刀具的剪切能和摩擦能均有減小。

(a) 原刀具切削示意 (b) 微坑刀具切削示意

2 結(jié)論

依據(jù)切削仿真過程中刀具前刀具溫度場的分布設(shè)計微坑并制造出刀具，結(jié)合理論分析及切削實驗，得出結(jié)論如下：

(1)原車刀和微槽車刀切削力和切削能的隨切削參數(shù)的變化趨勢一致。

(2)由于微槽的存在，切屑將進入微槽，切屑變形減小，同時微槽增大了刀具前角，刀具更加鋒利，切削力降低。

(3)微槽車刀切削能輸入減小，剪切能和摩擦能均有一定程度減小。