基于切削仿真技術(shù)的廢舊刀片再利用

薛飛，黃忠，張秋平，王冬，孫云峰，王劍

1. 上汽大眾汽車(chē)有限公司 上海 201805

2. 上海電機(jī)學(xué)院 上海 200120

1 序言

曲軸AF20（見(jiàn)圖1）工序是粗、精車(chē)曲軸各擋主軸頸、法蘭外圓、溝槽和各端面的工序。通過(guò)卡盤(pán)分別夾持曲軸的法蘭端和軸頭端外圓，用車(chē)刀對(duì)各個(gè)主軸頸外圓進(jìn)行車(chē)削[1]（見(jiàn)圖2），具有加工效率高、柔性好的特點(diǎn)。

圖1 曲軸“車(chē)-車(chē)?yán)痹O(shè)備

圖2 曲軸車(chē)削加工

2 背景

粗車(chē)主軸頸和扇板端面采用的都是CNMT120612菱形刀片。原工藝在車(chē)削曲軸止推面和扇板端面時(shí)，都只使用菱形刀片上80°刀尖（下文簡(jiǎn)稱(chēng)銳角刀尖）進(jìn)行車(chē)削。而100°的刀尖（下文簡(jiǎn)稱(chēng)鈍角刀尖）得不到利用，白白浪費(fèi)。根據(jù)曲軸扇板的加工輪廓，鈍角刀尖也能代替銳角刀尖滿(mǎn)足加工的要求（見(jiàn)圖3）。但由于原刀片的設(shè)計(jì)中，鈍角不需要有切削功能，因此采用鈍角切削存在以下幾個(gè)不確定因素需要驗(yàn)證。

圖3 曲軸扇板由銳角刀尖改用鈍角刀尖切削

1）曲軸粗加工為了追求較高的加工效率，選用了較大的切削參數(shù)，背吃刀量ap＝3mm、進(jìn)給速度vf＝0.4mm/min、切削速度v＝120m/min。鈍角刀尖產(chǎn)生的切削抗力與原銳角刀尖相比是否會(huì)明顯增大，機(jī)床主軸功率、進(jìn)給系統(tǒng)強(qiáng)度以及工藝系統(tǒng)剛性能否承受[2]。

2）在曲軸“車(chē)-車(chē)?yán)钡侗P(pán)上，圓周分布了40把不同的刀具，根據(jù)刀具管理器中設(shè)定的使用壽命進(jìn)行換刀，采用替換刀分組切換。整個(gè)刀盤(pán)上的刀具使用壽命都相互匹配。如果使用鈍角刀尖加工方式，刀具使用壽命明顯低于銳角刀尖，就會(huì)造成整組刀具提前換刀，從而大大增加刀具成本。

以往的試刀方式是請(qǐng)刀具供應(yīng)商制造實(shí)物，在機(jī)床上試驗(yàn)并跟蹤觀察實(shí)際使用效果，再根據(jù)刀具失效形式分析做針對(duì)性的改進(jìn)，存在刀具優(yōu)化周期長(zhǎng)、效率低和成本高的問(wèn)題。通過(guò)有限元仿真手段可分別對(duì)CNMT120612菱形刀片銳角和鈍角刀尖的加工過(guò)程進(jìn)行模擬，得出切削力、溫度和刀具磨損的對(duì)比結(jié)果，研究鈍角刀尖切削扇板的工藝性。

3 仿真過(guò)程

測(cè)繪刀片并建模（見(jiàn)圖4、圖5）。CNMT120612菱形刀片法后角為0°，其長(zhǎng)寬高等尺寸可以通過(guò)外徑千分尺測(cè)得。前角及斷屑槽相關(guān)角度和長(zhǎng)度尺寸可將刀片沿正交平面用線(xiàn)切割剖開(kāi)后，通過(guò)電子放大鏡測(cè)量。在三維設(shè)計(jì)軟件中，通過(guò)拉伸及放樣功能實(shí)現(xiàn)建模，模型以STL格式保存。

圖4 CNMT120612刀片實(shí)物

圖5 CNMT120612刀片建模

采用Deform-3D軟件中的車(chē)削仿真模塊。按實(shí)際加工參數(shù)設(shè)定切削條件及初始環(huán)境溫度、熱傳導(dǎo)率和摩擦因子等邊界條件（見(jiàn)圖6）。

導(dǎo)入刀片模型并選擇刀片的主運(yùn)動(dòng)方向及刀尖點(diǎn)（見(jiàn)圖7），再設(shè)定“工具支托參數(shù)”。其中“滑前角”表示刀具繞刀尖點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，該角度與刀具的主偏角有關(guān)；“后傾角”表示刀具的主后角；“側(cè)傾角”表示刀具的副后角（見(jiàn)圖8）。可以對(duì)鈍角刀尖設(shè)定不同的刀片工作角度，模擬出切削負(fù)載等需要驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，并依據(jù)模擬結(jié)果逐步優(yōu)化刀具角度[3]。其中與主偏角有關(guān)的要素有切削刃與工件輪廓的干涉情況、主切削力沿軸向和徑向分力的比例以及切屑厚度等。較小的主偏角能提高刀尖強(qiáng)度和散熱能力，延長(zhǎng)刀具使用壽命。綜合扇板的實(shí)際加工情況，將主偏角設(shè)為75°。由于刀尖角已經(jīng)確定，因此刀具副偏角為5°。與主后角有關(guān)的要素有切削刃的強(qiáng)度與后刀面的磨損情況。由于采用機(jī)夾式刀片，因此在切削刃楔角已經(jīng)確定的情況下，后角增大將會(huì)使前角減小。考慮到扇板加工屬于斷續(xù)切削，存在較大的沖擊，同時(shí)曲軸材質(zhì)為非調(diào)質(zhì)鋼，有一定的韌性，由于已加工表面金屬回彈，因此會(huì)加劇后刀面與已加工表面的磨損。綜合實(shí)際加工情況，將主后角設(shè)定為5°。

圖7 選擇刀尖點(diǎn)

圖8 設(shè)定刀具角度

定義刀具材質(zhì)和涂層厚度。綜合刀具的模擬精度與運(yùn)算速度，將刀具劃分為4萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格（見(jiàn)圖9）。采用簡(jiǎn)化的切削模型，設(shè)置模擬切削長(zhǎng)度30mm，并采用相對(duì)網(wǎng)格劃分方式，以進(jìn)給量的40%設(shè)定工件網(wǎng)格大小。由于曲軸材質(zhì)為非調(diào)質(zhì)鋼，其力學(xué)性能與45鋼類(lèi)似?？稍诓牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)中選取45鋼定義工件材質(zhì)，并將非加工面添加約束，所有工件表面定義為熱傳導(dǎo)面（見(jiàn)圖10）。

圖9 刀具網(wǎng)格劃分

圖10 定義工件

4 仿真結(jié)果

（1）刀具磨損分析 由刀具切削仿真溫度分布云圖（見(jiàn)圖11）可知，最高切削溫度出現(xiàn)在靠近刀尖的切屑表面。其中鈍角刀尖最高切削溫度為1010℃，而銳角刀尖最高切削溫度為1130℃。采用鈍角刀尖后，最高切削溫度下降10.6%。由溫度曲線(xiàn)（見(jiàn)圖12）也可知，鈍角刀尖切削的平均溫度約900℃，而銳角刀尖切削的平均溫度約1080℃，采用鈍角刀尖后，平均切削溫度下降約16%。由刀具界面溫度分布云圖（見(jiàn)圖13）可知，鈍角刀尖界面最高溫度為629℃，銳角刀尖界面最高溫度為842℃，且鈍角刀尖的溫度分布面積更大。由于刀具使用壽命與溫度成反比，因此可推論采用鈍角刀尖切削，刀具使用壽命將比原工藝有所提升。

圖11 鈍角刀尖與銳角刀尖切削溫度分布云圖對(duì)比

圖12 鈍角刀尖與銳角刀尖切削溫度曲線(xiàn)

圖13 鈍角刀尖與銳角刀尖刀具界面溫度分布云圖對(duì)比

（2）切削力分析 分別選取兩種刀尖模擬的第975步時(shí)的刀具界面壓力云圖進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖14），可知鈍角刀片的切削負(fù)荷分布在切削刃及靠近刀尖點(diǎn)的較大區(qū)域內(nèi)，銳角刀片的切削負(fù)荷主要集中在刀尖點(diǎn)附近。因此可推論銳角刀尖相對(duì)崩刀的風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖14 鈍角刀尖與銳角刀尖刀具界面壓力云圖對(duì)比

在模擬坐標(biāo)系中，Y軸對(duì)應(yīng)刀具主運(yùn)動(dòng)方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖Y軸負(fù)載曲線(xiàn)（見(jiàn)圖15）可知，鈍角刀尖的主切削力穩(wěn)定值為7000N，銳角刀尖的主切削力為6220N。即鈍角刀尖的主切削力相較銳角刀尖增加了12.5%。觀察銳角刀尖實(shí)際加工時(shí)機(jī)床主軸功率利用率在35%，因此雖然切削負(fù)載增加，但尚在可以承受的范圍。

圖15 鈍角刀尖與銳角刀尖Y軸負(fù)載曲線(xiàn)

在模擬坐標(biāo)系中，X軸對(duì)應(yīng)曲軸徑向方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖X軸負(fù)載曲線(xiàn)（見(jiàn)圖16）可知，鈍角刀尖的徑向力穩(wěn)定值為1500N，銳角刀尖的徑向力為1460N。即鈍角刀尖的徑向力相較銳角刀尖增加了3%，變化不大，可忽略不計(jì)。

圖16 鈍角刀尖與銳角刀尖X軸負(fù)載曲線(xiàn)

在模擬坐標(biāo)系中，Z軸對(duì)應(yīng)曲軸軸向方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖Z軸負(fù)載曲線(xiàn)（見(jiàn)圖17）可知，鈍角刀尖的軸向力穩(wěn)定值為1450N，銳角刀尖的軸向力為910N。即鈍角刀尖的軸向力相較銳角刀尖增加了59%。要減小軸向分力，則需要增大主偏角。在刀尖角為100°時(shí)，考慮到還要留有一定的副偏角，因此75°已經(jīng)是允許取值最大的主偏角。同時(shí)考慮到軸向是曲軸剛性較好的方向，尚在可以承受的范圍。

圖17 鈍角刀尖與銳角刀尖Z軸負(fù)載曲線(xiàn)

綜上，使用鈍角刀尖相較于原銳角刀尖方案，推測(cè)刀具的切削溫度有所下降，刀具使用壽命增加。但是切削負(fù)載會(huì)有所增加，尤其是曲軸軸向力會(huì)有明顯增大，但尚在可以承受的范圍，需進(jìn)一步試驗(yàn)。

5 刀座設(shè)計(jì)

依據(jù)有限元仿真的主偏角、主后角和副后角等角度設(shè)計(jì)鈍角刀座（見(jiàn)圖18），并委托刀具供應(yīng)商制造。

圖18 設(shè)計(jì)鈍角刀座

6 結(jié)束語(yǔ)

利用對(duì)切削過(guò)程的有限元仿真技術(shù)對(duì)CNMT120612菱形刀片銳角和鈍角刀尖的切削力和切削溫度進(jìn)行模擬，研究了在車(chē)削主軸頸止推面工步上使用菱形刀片的80°銳角切削，待銳角刀尖磨損后換至車(chē)削扇板工步，用鈍角切削的工藝可行性。充分利用廢舊刀片，不僅可以節(jié)省刀具成本，而且減少了環(huán)境污染。