基于有限元理論分析切削振動對CBN刀具磨損的影響

朱 楠

(吉林電子信息職業技術學院 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

在切削過程中，切削振動現象會經常發生[1-2]。切削振動會導致切削力和切削溫度產生較大波動，使得工件表面質量粗糙、刀具磨損難以控制，給生產加工造成較大麻煩。為更好地控制切削振動，有學者采用Runge-Kutta法對機床切削振動建立了結構動力學模型[3]。關于切削振動的成因，學者認為機床的主軸轉速和切削深度是影響切削振動的主要原因[4-5]。在45#鋼切削振動試驗中，崔政等[6]發現進給量對切削振動產生的影響最大，切削速度對振動的影響最小。在鈦合金材料切削振動試驗中，王晨羽等[7]發現切削用量對切削振動影響程度不同，其中進給量變大導致切削振動變大。目前關于切削振動對刀具磨損影響的研究較少，而刀具磨損一直是切削加工領域研究的重點問題。刀具磨損包括機械磨損、黏附磨損、氧化磨損以及破損崩刃等[8]。

在對立方氮化硼(CBN)刀具磨損的研究中，學者指出CBN含量、切削條件、工件材料等[9-12]均會對刀具磨損產生較大影響。但是關于切削振動對CBN刀具磨損的研究較少。然而切削振動是切削過程中難以避免的問題，因此研究切削振動對CBN刀具磨損的影響對實際生產加工有重要的指導意義。

本試驗針對切削振動現象，主要研究立方氮化硼(CBN)刀具切削鈦合金時，切削振動對刀具磨損的影響。試驗選用的鈦合金材料具有很強的黏性，在切削過程中存在粘刀現象[13-14]，會導致刀具發生磨損。目前對CBN刀具切削鈦合金時，產生的切削振動對CBN刀具磨損影響的研究文獻相對較少。因此，為研究切削鈦合金過程中產生的振動對刀具磨損的影響，試驗利用有限元方法，可以直觀地反映振動對切削過程的影響，減少煩瑣復雜的實際切削試驗步驟，從理論上分析不同振動方向、不同振動頻率對刀具表面磨損的影響。在理論上為切削加工領域中切削振動對刀具磨損的影響進行分析探討。

1 設計試驗

1.1 有限元建模

切削振動試驗選用的工件材料是航空材料鈦合金Ti-6Al-4V，選用Johnson-Cook本構模型進行仿真。試驗基于有限元分析軟件AdvantEdge進行，由于該有限元分析軟件中材料庫包含鈦合金Ti-6Al-4V材料，因此試驗直接選用鈦合金材料，其楊氏模量為1 050 MPa。表1是鈦合金Ti-6Al-4V所含元素及質量分數。

試驗所用刀具選用CBN材料，設置刀具前角為5°，后角為6°，切削刃半徑為0.02 mm，刀具前刀面和后刀面的長度均為2 mm。鈦合金工件長度10 mm，高度3 mm，切削長度8 mm。刀具和工件網格單元最大尺寸是0.10 mm，最小單元尺寸是0.02 mm，采用拉格朗日自適應網格方法劃分網格。圖1所示為CBN刀具與鈦合金Ti-6Al-4V工件二維切削模型。試驗中取切削速度200 m/min，進給量0.2 mm/z，背吃刀量0.5 mm。

表1 鈦合金Ti-6Al-4V化學元素及質量分數

切削振動時的刀具運動軌跡情況如圖2所示。當刀具沿著X方向切削前進時，刀具切削刃與工件接觸面積、切削刃與切屑接觸長度基本保持不變；當刀具沿著Y方向切削前進時，刀具與工件之間的接觸面積，切削刃與切屑之間的接觸長度均發生變化。

1.2 切削振動試驗方案

實際切削過程中，振動來源于振動方向、振動頻率和振動幅度。任何一種因素都會使切削發生振動，造成一定的損失。因此，為系統分析振動對CBN刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V的磨損情況，有限元仿真試驗將切削振動模擬成刀具分別沿X方向振動、沿Y方向振動、沿X和Y方向共同振動模擬仿真，并建立振動幅度和振動頻率影響因子，與無振動切削對比分析。設計多組正交試驗，如表2所列。

表2 正交試驗方案

按照設計的切削振動試驗方案，進行CBN刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V有限元振動仿真。從振動方向、振動幅度、振動頻率等3個方面分析振動對刀具磨損的影響。試驗中，切削溫度與刀具摩擦有很大關系，在切削過程中，摩擦生熱，產生過高的溫度，會導致刀具表面發生磨損；刀具表面的應力代表了刀具在力和熱作用下的變形，因此將切削溫度和刀具表面應力作為衡量刀具磨損因子，即刀具表面承受的應力越大、溫度越高，刀具越容易發生磨損。

2 結果與討論

2.1 X方向振動對刀具磨損影響

圖3所示為當切削過程中存在X方向振動，其振動幅度Ax=0.10 mm，不同振動頻率對刀具表面應力和溫度的影響。圖3表明，與無振動切削相比，X方向振動幅度和振動頻率對刀具應力和溫度影響不大，并未產生較大的變化。主要原因是X方向發生振動，刀具切削刃對工件材料的剪切擠壓作用并未發生明顯變化，產生的切削力與無振動情況相比變化較小，因此刀具表面的應力變化不大。X方向振動時刀具溫度，刀具與工件接觸的面積、與切屑接觸的長度并未發生明顯變化，如圖2a。因此摩擦系數基本不變，這就使得摩擦產生的熱量變化較小，造成溫度略高于無切削振動情況。出現這種現象的原因是X方向振動仍會導致刀具與工件之間發生沖擊，每次沖擊都會產生一定的熱量，因此刀具溫度略有變大。在其他X方向振動幅度和頻率下(試驗組5～10)，與無切削振動對比，有限元結果與X方向振動幅度Ax=0.10 mm時的結果相似。

圖4為X方向切削振動有限元仿真云圖。振動頻率對刀具表面應力和溫度的影響未呈現明顯的規律，均存在隨著振動頻率的增加，刀具應力和溫度存在先變大再變小，或者先變小再變大的情況。縱向觀察圖4a，當振動頻率不變時，X方向振幅增加對刀具應力的影響也沒有呈現規律性變化。觀察圖4b，發現X方向振幅和頻率較大時，刀具的溫度升高。

通過分析X方向切削振動有限元結果，可以認為與無切削振動相比，在振動條件下，X方向的振動對刀具表面應力和溫度影響不大且無規律性，因此X方向的振動對刀具磨損的影響較小。

2.2 Y方向振動對刀具磨損影響

圖5為沿Y方向產生切削振動，振幅Ay=0.10 mm時，振動頻率對刀具表面應力、溫度影響的有限元結果云圖。觀察圖5發現，與無切削振動的情況相比，隨著切削振動頻率增大，刀具表面承受的應力增大。因為改變振動頻率，致使刀具切削刃沿Y方向切削時不斷地振動，使刀具實際進給量不斷變化，且變化次數與振動頻率直接相關，相當于刀具切削刃在持續與工件發生沖擊，導致刀具切削刃處應力增大。刀具切削刃處溫度也隨著振動頻率增大而變大。因為振動頻率的變化導致刀具切削刃與工件之間的接觸面積和長度在不斷變化，因而摩擦系數在時刻發生變化，且頻率越大，摩擦系數變化越大，切削刃與工件材料產生熱量變多，溫度變大。這種刀具表面應力、溫度隨著振動頻率增大而變大的現象，均出現在沿Y方向振動幅度Ay=0.15 mm，Ay=0.20 mm的切削振動情況中。

圖6為Y方向切削振動有限元仿真云圖。當振幅不變時，刀具表面應力和溫度隨著切削振動頻率增大而變大。當振動頻率不變時，隨著切削振動幅度變大，刀具表面應力和溫度均變大。振動幅度的增大使得刀具在該頻率下每發生一次切削振動，刀具切削刃對工件材料的沖擊作用變大，振動幅度越大，切削刃與工件材料之間的撞擊越嚴重，刀具切削刃處應力變大。由于振動幅度變大，切削刃與工件之間的摩擦作用變大，導致產生較多的切削熱，使溫度升高。

有限元結果表明，與無切削振動情況相比，存在Y方向切削振動時，刀具表面應力增大，刀具切削刃處溫度升高。這2種影響因子共同作用，最終致使刀具磨損，并會加快刀具磨損速度，縮短刀具使用壽命。

2.3 X、Y方向振動對刀具磨損影響

切削過程中存在X和Y方向均發生振動的情況時，振動頻率對刀具表面應力和溫度的影響如圖7所示。通過對比分析圖7中刀具表面應力分布和應力數據發現，隨著振動頻率增大，刀具后刀面的應力分布范圍增大，并且應力值也增大。同時，刀具溫度也隨著振動頻率增大而升高，與上述試驗結果中只存在Y方向的振動時對刀具表面應力和溫度的影響結果一致。此外，與只存在X方向或Y方向的振動相比，X和Y方向均振動使刀具表面應力增大和溫度升高的幅度更為明顯。這表明在X和Y方向均振動的條件下，刀具對工件的剪切擠壓作用更強，因此刀具表面承受的應力增大。同時，切削過程中X和Y方向均振動會導致工件發生不穩定的彈塑性變形。工件恢復變形會產生大量的切削熱，這些熱量傳遞到刀具刀尖處，同時X和Y方向均振動也會導致刀具與工件材料之間的摩擦系數發生不穩定變化，摩擦生熱與彈塑性變形產生的熱量均會導致切削溫度升高。

圖8為X、Y方向切削振動有限元仿真云圖。觀察圖8中的曲線走勢發現，當X和Y方向的振動幅度一定時，刀具表面應力和溫度均隨振動頻率增大呈現變大的趨勢。

縱向觀察圖8a和圖8b中的曲線，當X方向和Y方向振動幅度Ax=Ay=0.20 mm時，在較大的振動頻率下，刀具表面應力和溫度均最高，刀具產生較為嚴重的磨損。因為在該振動條件下，刀具表面應力和溫度最大。圖8b表明X方向和Y方向振動幅度Ax=Ay=0.10 mm時，刀具的溫度比振動幅度Ax=0.10 mm，Ay=0.15 mm產生的刀具溫度大，但其應力相對較小，這表明當X方向和Y方向振動幅度相同時，振動對刀具溫度的影響較大，而Y方向的振動幅度對刀具的應力影響較大。當X和Y方向振動相同時，刀具切削刃對工件材料的剪切擠壓作用相對穩定，而Y方向作為切深方向，當Y方向振動幅度大于X方向，刀具切削刃的沖擊強度變大，導致刀具產生較大的應力。

上述試驗結果表明，在切削過程中，X方向和Y方向均發生振動時，振動幅度和振動頻率對刀具表面應力和溫度具有較大的影響，在較大的振動幅度和較快的振動頻率下，會導致刀具表面應力增大和溫度升高，容易造成刀具磨損。

3 振動切削試驗

針對有限元仿真分析結果，綜合圖3、圖5和圖7中刀具表面的應力和溫度數據，明顯可知當X、Y方向均存在振動，且振動幅度為0.20 mm、振動頻率300 Hz時刀具應力和溫度最大，會對刀具造成較為嚴重的磨損。為驗證有限元分析結果，故設計振動切削試驗，選取無振動切削和試驗組28(X、Y方向均振動、振動幅度0.20 mm、振動頻率300 Hz)進行驗證。

圖9是切削試驗所用CBN刀具，其型號是CNMN 120408。有限元仿真是通過刀具應力和切削溫度作為因子分析刀具磨損情況的。在切削試驗中，可以使用顯微儀器直接觀察刀具表面磨損情況。

經過相同的切削時間，使用萊卡(Leica)超景深顯微鏡觀察刀具磨損情況(圖10)。發現無振動切削時刀具磨損長度為1.255 mm。當X、Y方向均振動、振動幅度0.20 mm、振動頻率300 Hz時刀具前刀面磨損長度為2.853 mm，刀具磨損嚴重。這與有限元仿真結果基本一致，表明了振動對刀具磨損有很大的影響，因此，在實際切削加工過程中，需要控制振動，盡量減小振動發生，甚至避免振動。

4 結論

試驗針對CBN刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V，利用有限元分析技術，經過大量重復試驗，深入分析研究了切削振動對刀具磨損的影響，并得到如下結論：

(1)與無切削振動相比，X方向振動對刀具表面應力和溫度影響較小，故刀具磨損幾乎不受X方向振動的影響；

(2)Y方向振動對刀具磨損影響較大，表現為隨著切削振動頻率和振動幅度增大，刀具表面應力增大大、溫度升高；

(3)在X和Y方向均存在振動條件下，刀具表面應力和溫度變化較大，尤其在X和Y方向的振動頻率為300 Hz和振動幅度為0.20 mm條件下，刀具表面應力最大、溫度最高，表明刀具磨損最嚴重；

(4)利用切削試驗對有限元仿真進行驗證，發現當X、Y方向均振動、振動幅度0.20 mm、振動頻率300 Hz時刀具磨損比無振動時嚴重，與有限元分析基本一致。