特肯315盤銑刀切削試驗(yàn)與仿真

(二重(德陽)重型裝備有限公司 四川 德陽 618000)

一、引言

近年來，公司組織開展切削與刀具技術(shù)研究，對(duì)重機(jī)廠常用刀具反復(fù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，進(jìn)而得出各刀具的推薦切削參數(shù)。在切削試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)切削試驗(yàn)量巨大，切削試驗(yàn)條件有限，導(dǎo)致一些特殊刀具難以通過切削試驗(yàn)得出合理的推薦切削參數(shù)。通過切削仿真和切削試驗(yàn)互相驗(yàn)證進(jìn)而得出合理推薦切削參數(shù)的方法。

二、特肯315盤銑刀簡(jiǎn)介

Φ315特肯盤銑刀是專門針對(duì)重型零件大面粗加工的刀具。刀具采用模塊組合，刀片平裝，壓塊壓緊，操作方便，壓緊可靠、容屑空間大，有效地降低了機(jī)床功率的消耗，促進(jìn)了切屑排除，相比以往常用的60ZM粗加工刀盤,金屬去除率更好，刀片消耗更少。適用于大平面的粗加工及半精加工。

該刀具廣泛適用于各重型加工設(shè)備。為了更好的使用該刀具，需對(duì)刀具的性能通過切削試驗(yàn)等方式進(jìn)行驗(yàn)證，得出推薦切削參數(shù)，以便各機(jī)床放心使用。

三、傳統(tǒng)切削試驗(yàn)方法及其局限

圖1 正交法切削方案示意表

(二)根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行刀具試驗(yàn)。按照切削試驗(yàn)計(jì)劃表臨床進(jìn)行刀具試驗(yàn)。收集記錄各次試驗(yàn)的鐵屑狀態(tài)、加工表面粗糙度、加工表面尺寸精度、機(jī)床震動(dòng)、功率消耗、刀具刀片損耗、切削效率等數(shù)據(jù)。在比對(duì)各組數(shù)據(jù)，選出試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的綜合效益最優(yōu)的參數(shù)，作為該刀具的推薦切削參數(shù)。

(三)傳統(tǒng)切削試驗(yàn)的局限。根據(jù)上述過程，傳統(tǒng)切削試驗(yàn)方法的的科學(xué)性、準(zhǔn)確性等方面有很大局限如：無法準(zhǔn)確測(cè)量切削過程中的切削溫度、切削力大小等實(shí)時(shí)狀態(tài)，只能根據(jù)切削試驗(yàn)?zāi)恳暻闆r判斷優(yōu)劣，試驗(yàn)方法的科學(xué)性和試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性還有很大的提升空間。既需投入人力，還影響機(jī)床的正常產(chǎn)出，試驗(yàn)成本較高。

四、切削試驗(yàn)仿真原理

(一)切削試驗(yàn)仿真整體方案。根據(jù)特肯315面銑切結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)和切削仿真整體要求，制定了如下切削仿真總體方案：切削試驗(yàn)——建模——計(jì)算及分析——試驗(yàn)對(duì)比——模型優(yōu)化——參數(shù)和計(jì)算流程固化——結(jié)果。

(二)切削有限元模擬的關(guān)鍵技術(shù)。1.本構(gòu)模型。本構(gòu)關(guān)系或本構(gòu)方程一般是給出作用于材料質(zhì)點(diǎn)上的應(yīng)力和變形及溫度歷史的關(guān)系方程。在進(jìn)行切削過程數(shù)值建模的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮切削過程中工件材料溫度一速度效應(yīng)及物理一化學(xué)參量的變化對(duì)切削過程物理現(xiàn)象的影響。2.切削分離準(zhǔn)則。與一般的金屬塑性成形不同的是，切削加工是一個(gè)使被加工材料不斷產(chǎn)生分離的過程，切削加工的有限元模擬可以分為兩種形式：更新的Lagrange形式/Euler形式。3.刀屑摩擦模型。與一般的金屬塑性成形不同的是，切削加工是一個(gè)使被加工材料不斷產(chǎn)生分離的過程，切削加工的有限元模擬可以分為兩種形式：更新的Lagrange形式/Euler形式在實(shí)際模擬過程中，前者使用得更為廣泛，這種方式的有限元模擬需要有一定的分離準(zhǔn)則使得切屑從工件中產(chǎn)生分離切屑分離準(zhǔn)則:是在有限元計(jì)算過程中用于判斷刀尖前方切屑與金屬基體上的質(zhì)點(diǎn)分離與否的判別依據(jù)。4.網(wǎng)格劃分。有限元方法得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)主要的環(huán)節(jié)就是網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分的工作量大，需要考慮的問題多，網(wǎng)格形式直接影響結(jié)果精度和模型規(guī)模。5.溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合。金屬切削過程是非常復(fù)雜的熱-力耦合過程。盡管變形和傳熱同時(shí)發(fā)生，但傳熱和變形屬于兩個(gè)不同物理性質(zhì)的問題，基于不同的基本理論，很難用聯(lián)立求解的方法分析。因此采用分開迭代法，即在同一增量區(qū)間內(nèi)，可分別由瞬態(tài)彈塑性邊值問題和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題描述，然后通過兩者的聯(lián)系，達(dá)到熱-變形耦合的目的。6.仿真結(jié)果輸出。通過仿真分析，可以得到刀具參數(shù)，切削參數(shù)，材料參數(shù)等對(duì)切削形態(tài)、切削溫度、切削力以及加工表面質(zhì)量的影響。具體包括：(1)刀具參數(shù)，切削參數(shù)，材料參數(shù)對(duì)切削的影響。(2)切削加工方法與加工質(zhì)量之間的關(guān)系。

五、特肯315盤銑刀切削試驗(yàn)與仿真

(一)初步切削試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求和重機(jī)廠現(xiàn)有條件，并查閱相關(guān)手冊(cè)樣本，利用正交法，制定切削試驗(yàn)計(jì)劃在10英寸數(shù)控鏜銑床按切削試驗(yàn)計(jì)劃表進(jìn)行切削試驗(yàn)。通過比對(duì)刀片損耗、金屬去除率和表面質(zhì)量等因素后，得出3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中相對(duì)合理的推薦切削參數(shù)。

(二)初步切削仿真。根據(jù)切削仿真原理要求，將被加工零件工件材料、理論切削參數(shù)、刀具刀片參數(shù)提供給中科院重慶分院。從初步仿真計(jì)算的參數(shù)與切削試驗(yàn)推薦參數(shù)和刀具廠家所給的推薦切削參數(shù)差別不大，經(jīng)院企合作各方專家共同討論，認(rèn)為重慶中科院為特肯315盤銑刀建立的仿真本構(gòu)模型是正確的。

(三)切削參數(shù)再優(yōu)化。根據(jù)初步切削試驗(yàn)和切削仿真結(jié)果比較可知，初步切削試驗(yàn)推薦參數(shù)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給均較低，切寬更寬。

需進(jìn)一步將兩種結(jié)果的輸出參數(shù)進(jìn)行第二次次切削試驗(yàn)。該試驗(yàn)在重機(jī)廠一工段6×24米龍門銑床上進(jìn)行。經(jīng)過切削試驗(yàn)論證，仿真推導(dǎo)出的切削參數(shù)切削效果良好，相較與初步切削試驗(yàn)得出的推薦切削參數(shù)，進(jìn)給量從400mm/min提高到450mm/min,切削寬度從280下降到260，經(jīng)計(jì)算，切削效率提高4.5%。

根據(jù)切削仿真和刀具試驗(yàn)最終結(jié)論，特肯315盤銑刀加工ZG230-450材質(zhì)工件推薦切削參數(shù)為：

N=120r/min Vc=120mm/min F=450mm/min Fz=0.4mm B=260mm，AP=10mm

(四)仿真本構(gòu)模型運(yùn)用擴(kuò)展。仿真本構(gòu)模型既能輸出切削參數(shù)，又能輸出切削力、切削熱。針對(duì)45鋼、42CrMo、Q235A等被加工材料時(shí)，僅將輸入本構(gòu)模型的材料參數(shù)改變，其余條件不變，本構(gòu)模型就能自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的切削熱、切削力以及切削參數(shù)，再通過一次試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)論，即可得出對(duì)應(yīng)材料的推薦切削參數(shù)，相比傳統(tǒng)正交法切削試驗(yàn)，結(jié)果更準(zhǔn)確。同時(shí)極大的提高了切削試驗(yàn)效率，降低了切削試驗(yàn)成本。

六、結(jié)論

通過特肯315盤銑刀切削試驗(yàn)及有限元仿真，得出相關(guān)條件下的推薦切削參數(shù)。這種試驗(yàn)方法相比于傳統(tǒng)切削試驗(yàn)方法，其結(jié)果更科學(xué)準(zhǔn)確，效率更高成本更低。通過改變參數(shù)設(shè)置，該試驗(yàn)方法可普遍運(yùn)用于其它刀具的切削試驗(yàn)，具有推廣價(jià)值。