基于車削試驗法的刀具摩擦性能研究*

王飛杰，劉潤愛,2*，白小云,2，郭文亮,2

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西重點實驗室，山西 太原 030024)

0 引 言

316奧氏體不銹鋼的難加工性表現為加工硬化嚴重、切削力大、切削溫度高[1-2]。呂釗等[3]提到：在切削過程中，屑-刀-工接觸面上的摩擦性能會直接影響到各種切削要素，如切屑變形、切屑力、刀具磨損等，而刀-屑間的摩擦特性對切削影響尤為明顯。

DAVIM J P等[4-5]基于316不銹鋼，模擬仿真切削進程，研究了刀-屑間的摩擦系數μ對切削過程中的切削分力、切削溫度、塑性應變、塑性應變率、最大剪切應力以及殘余應力的影響，并通過試驗得出了刀-屑間的摩擦系數μ，并將其作為仿真的參數，驗證了仿真的真實性與可靠性；張輝等[6]對刀具摩擦磨損的研究方法進行了綜述，文中從切削試驗、常規摩擦試驗及特殊摩擦試驗3個方面，概述了國內外有關刀具材料摩擦磨損的研究方法；張誠等[7]研究了WC/TiC層狀陶瓷刀具材料在干摩擦條件下，與316 L不銹鋼之間的摩擦磨損性能，并對磨損面進行了分析，使用了CFT-I型材料表面性能綜合測試儀，測試了層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦磨損性能。

為提高316不銹鋼18Cr-12Ni-2.5Mo的加工特性，改善刀具的摩擦性能，需要進行切削參數的優化設計[8]。

本研究針對316不銹鋼的切削力大、刀具磨損快以及切削溫度高等問題，對其提升加工性能、降低切削分力、減小刀-屑間的摩擦阻力、優化切削參數等方面進行有針對性的研究。

1 實 驗

本文利用正交試驗法，在干切削環境下對316不銹鋼進行切削加工，以得出不同切削參數對刀-屑間的摩擦系數μ的影響規律。

試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖

圖1中，試驗工件采用直徑為60 mm的316不銹鋼棒料，車床使用CA6140車床，車刀為YW1硬質合金車刀(刀尖半徑r為0.8 mm、前角γ0為15°、后角α0為5°)；YDCB-III05壓電石英三向車削測力儀安裝在車床刀架上，車削2 min，并采集切削力的數據。

2 仿 真

2.1 仿真模型建立

在車削有限元仿真中，刀具選用Third Wave AdvantEdge-2D中的標準刀具：刀尖半徑r為0.8 mm、前角γ0為15°、后角α0為5°的涂層刀具。

筆者在AdvantEdge-2D中建立車削模型，刀具的材料選用硬質合金，涂層設置為為0.005 mm的TiN，設置其邊界初始溫度為20 ℃。

316不銹鋼的工件模型為h=2 mm;L=9 mm的切削層，屬性設置為彈塑性，為縮短仿真時間，取切削長度為5 mm。

有限元模型如圖2所示。

圖2 刀具與工件有限元模型

2.2 工件材料

為了模擬工件材料的熱粘塑性行為，Third Wave AdvantEdge使用了流動應力本構方程，可以表示為：

(1)

參數取值如表1所示[9]。

表1 18Cr-12Ni-2.5Mo的流動應力本構方程參數取值

筆者選取材料庫中的316 stainless steel，具體元素組成如表2所示[10]。

表2 18Cr-12Ni-2.5Mo的化學元素組成(wt%)

2.3 參數設置

在仿真參數設置中，設置干切削條件下的摩擦系數μ為0.6[11]。為了改善刀具的摩擦性能，需要進行切削參數的優化設計，因此采用正交試驗法來設置正交試驗表L9(33)。

具體數值如表3所示。

表3 切削參數的正交試驗表

2.4 刀-屑間的摩擦系數的計算

在三維切削中[12-13]有：

Fx=Fxy×sinkr

(2)

Fy=Fxy×coskr

(3)

(4)

(5)

式中：Fx—進給抗力；Fy—切深抗力；Fz—主切削力；Fxy—合力；Fr—在基面上的分力；kr—主偏角；β—摩擦角。

將試驗和仿真中所得的主切削力，和算得的切深抗力代入式(5)，可以得出正交參數下的摩擦系數μ。

3 結果與分析

3.1 正交切削分力研究

本文使用車削試驗法，通過研究切削分力來研究刀具的摩擦性能。

試驗中采集力示例圖以及仿真中的切削分力示例圖如圖3所示。

正交切削參數下的主切削力，試驗與仿真結果如圖4所示。

圖4 主切削分力Fz-三因素

由圖4可知：在正交參數下，對316不銹鋼進行車削加工和仿真分析，車削試驗中的主切削力Fz略大于仿真中的值，誤差范圍為6.3%～13.3%；

在干切削(DRY)切削環境下，從主切削分力方面考慮選擇最優參數組合為：切削速度Vc(120 m/min)、進給量f(0.1 mm/r)、背吃刀量ap(0.2 mm)。

3.2 刀具摩擦性能研究

利用車削試驗法，在車削試驗和仿真試驗中，通過測量出主切削力Fz和切深抗力Fy，可利用式(5)計算出前刀面與切屑接觸面間摩擦系數μ[14-15]。

試驗與仿真結果如圖5所示。

圖5 刀-屑間的摩擦系數μ-三因素

由圖5可知：車削試驗中的刀-屑間的摩擦系數μ的值與仿真試驗相比，誤差范圍為0.2%～3.8%。

因此，在選擇最優的切削參數組合時，在干切削(DRY)切削環境下，從刀-屑間摩擦系數μ方面考慮選擇最優參數組合為：切削速度Vc(120 m/min)、進給量f(0.2 mm/r)、背吃刀量ap(1 mm)。

為了分析切削參數的3個因素對刀具摩擦性能的影響，本研究利用極差分析方法，研究因素的主次順序，并確定因素的最優水平組合。

具體數值如表4所示。

表4 刀-屑間的摩擦系數μ的極差分析表

由表4中極差R值分析可知：正交切削參數的3個因素在干切削環境下對刀-屑間的摩擦系數μ的影響程度，從大到小依次為：進給量、切削速度、背吃刀量。

從刀-屑間摩擦系數μ方面，考慮選擇最優的切削參數組合為DRY：切削速度Vc(120 m/min)、進給量f(0.2 mm/r)、背吃刀量ap(1mm)，來研究切削進程中刀-屑間摩擦系數μ的變化。

μ值如圖6所示。

圖6 切削進程中μ的變化

由圖6可以看出：在仿真時間0～0.002 5 s內，刀-屑間摩擦系數μ值最小值為0.403 8，最大值為0.430 1，平均值為0.416 5。

由此可見，在干切削環境下，選擇最佳切削參數組合進行切削316奧氏體不銹鋼時，刀-屑間的摩擦系數為：μ=0.416 5。

該參數可為研究前刀面上第Ⅱ變形區刀-屑間的作用力分析、切屑的變形程度、前刀面上的擠壓摩擦以及積屑瘤的產生機理，提供理論依據。

4 結束語

本研究基于車削試驗法，在干切削(DRY)條件、正交切削參數下，切削316奧氏體不銹鋼，得出了主切削力和切深抗力，計算出了刀-屑間的摩擦系數μ；并進行了仿真分析。

仿真與試驗結果表明：

(1)切削參數的3個因素，在干切削環境下對刀-屑間的摩擦系數μ的影響程度，從大到小依次為：進給量、切削速度、背吃刀量；

(2)在正交參數下，對316不銹鋼進行車削加工和仿真分析可知，車削試驗中的主切削力Fz略大于仿真中的值，誤差范圍為6.3%-13.3%；車削試驗中刀-屑間的摩擦系數μ值與仿真試驗相比，其誤差范圍為0.2%～3.8%；

(3)選擇最優的切削參數組合時，在干切削(DRY)切削環境下，從刀-屑間的摩擦系數μ方面考慮選擇最優參數組合為：切削速度Vc(120 m/min)、進給量f(0.2 mm/r)、背吃刀量ap(1 mm)。

基于車削試驗法研究刀具摩擦性能，是研究摩擦磨損的一種新方法，可以為研究刀具摩擦磨損性能提供方法指導和理論基礎；以刀-屑間的摩擦系數μ最小為目標優化切削參數，對于減少刀具磨損(前刀面月牙洼深度KT)、延長刀具耐用度、降低切削分力、降低切削溫度，具有重要的意義。