條形槽微織構(gòu)對PCBN刀具切削性能的影響

朱 楠

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院, 吉林 吉林 132021)

在刀具表面制備微米、亞微米尺度的微型織構(gòu)是切削加工領(lǐng)域新的研究方向和熱點。目前，在刀具表面制備的微織構(gòu)形式有蜂窩狀[1]、凹坑[1-2]、凸點[2]、同心圓[3]、條形槽[1-3]、圓弧[4]等。大量的研究表明:設(shè)計合理的刀具表面微織構(gòu)能夠降低其切削力和切削溫度、延緩刀具磨損[5-9]。于占江等[10]認(rèn)為刀具表面的微織構(gòu)在切削加工過程中具有良好的性能，體現(xiàn)在改善刀具磨損、切屑形態(tài)和已加工表面質(zhì)量3個方面。劉澤宇等[11]通過試驗表明：與無織構(gòu)刀具相比，微織構(gòu)能夠改善刀具表面的摩擦情況，使摩擦系數(shù)減小，刀具更加耐磨。馮秀亭等[12-13]等通過有限元仿真的方法，發(fā)現(xiàn)刀具表面微織構(gòu)的尺寸對其切削性能有很大的影響。在關(guān)于微織構(gòu)應(yīng)用的刀具材料研究中，大部分學(xué)者將微織構(gòu)應(yīng)用在硬質(zhì)合金材料刀具上[1-8，10-11，13]。也有學(xué)者研究了微織構(gòu)對陶瓷材料刀具[9，12]和PCBN[14-16]刀具的影響。

目前，關(guān)于PCBN刀具的微織構(gòu)研究相關(guān)文獻(xiàn)較少，本次微織構(gòu)試驗選用的刀具材料為PCBN，與文獻(xiàn)[14-16]的區(qū)別是微織構(gòu)的尺寸和類型不同。用有限元仿真分析PCBN微織構(gòu)對其切削力和已加工表面質(zhì)量的影響，同時設(shè)計切削試驗，驗證有限元結(jié)果的正確性。

1 有限元試驗設(shè)計

1.1 微織構(gòu)類型設(shè)計

文獻(xiàn)[10]表明硬質(zhì)合金刀具表面的槽型微織構(gòu)具有減磨的作用，為研究此類微織構(gòu)對PCBN材料刀具性能的影響，本次試驗設(shè)計的微織構(gòu)類型也是條形槽。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]提供的激光制備微織構(gòu)方法，本次試驗利用激光打標(biāo)機，在PCBN刀具前刀面制備條形槽微織構(gòu)，該微織構(gòu)類型刀具與文獻(xiàn)[14]設(shè)計的微凹坑織構(gòu)PCBN刀具不同。本次設(shè)計的微織構(gòu)的寬度為40 μm，長度為500 μm，深度5 μm，間距200 μm，與主切削刃垂直。圖1是WYKO光學(xué)輪廓儀觀察的PCBN刀具前刀面條形槽微織構(gòu)實物圖片，與文獻(xiàn)[15-16]在PCBN刀具表面制備的槽型織構(gòu)尺寸、主切削刃方向不同。

圖1 條形槽微織構(gòu)PCBN刀具

1.2 PCBN刀具有限元建模

按照圖1設(shè)計的條形槽微織構(gòu)進(jìn)行PCBN刀具有限元建模，并利用TWS有限元仿真軟件進(jìn)行切削仿真試驗。首先利用CATIA軟件進(jìn)行刀具三維建模，然后導(dǎo)入TWS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。刀具網(wǎng)格有限元模型均采用拉格朗日自適應(yīng)方法劃分網(wǎng)格，如圖2所示。圖2a是條形槽微織構(gòu)刀具網(wǎng)格模型，圖2b是無織構(gòu)刀具網(wǎng)格模型。有限元仿真中PCBN刀具材料的相關(guān)性能參數(shù)見表1[22]。

(a)條形槽微織構(gòu)刀具網(wǎng)格模型Mesh model of strip-groove micro-texture tool(b)無織構(gòu)刀具網(wǎng)格模型Mesh model of non-texture tool圖2 刀具網(wǎng)格有限元模型Fig. 2 Finite element model of tool grid

表1 PCBN刀具材料性能參數(shù)

1.3 工件材料及仿真參數(shù)

PCBN刀具多用于切削淬硬鋼GCr15[19-21]。因此，本次試驗也選取淬硬鋼GCr15材料為工件。表2是GCr15材料機械力學(xué)性能參數(shù)[22]。本次有限元仿真分析選用Johnson-Cook本構(gòu)模型[23]，見公式(1)：

(1)

表2 GCr15材料機械力學(xué)性能參數(shù)

表3 GCr15 Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

1.4 試驗方案

根據(jù)PCBN刀具切削淬硬鋼GCr15的相關(guān)文獻(xiàn)[14，21，24-26]，設(shè)置刀具的切削前角為-6°，后角為6°，切削速度為65 m/min，進(jìn)給量為0.1 mm/r，背吃刀量為0.3 mm。按照設(shè)定的切削參數(shù)進(jìn)行仿真試驗和切削試驗，對比分析條形槽微織構(gòu)刀具與無織構(gòu)刀具產(chǎn)生的切削力、已加工表面質(zhì)量。

2 有限元仿真結(jié)果及分析

2.1 切削力有限元分析

圖3為條形槽微織構(gòu)與無織構(gòu)PCBN刀具切削淬硬鋼GCr15產(chǎn)生的主切削力對比情況。根據(jù)切削力分布情況可知條形槽微織構(gòu)對主切削力、切深力與進(jìn)給力的影響各不相同。觀察圖3a和3b可知：條形槽微織構(gòu)刀具產(chǎn)生的主切削力、切深力均小于無織構(gòu)刀具的，但是主切削力減小的幅度大于切深力的。因為在刀具的前刀面制備條形槽微織構(gòu)可以有效地減小刀具前刀面與工件切削層的接觸面積，使摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致前刀面與切屑之間的摩擦作用減弱，從而產(chǎn)生較小的切削力。對于進(jìn)給力，條形槽微織構(gòu)刀具與無織構(gòu)刀具產(chǎn)生的進(jìn)給力并無明顯差異，整體表現(xiàn)為條形槽微織構(gòu)對進(jìn)給力影響較弱(圖3c)。在切削初始階段，條形槽微織構(gòu)刀具產(chǎn)生的進(jìn)給力略大于無織構(gòu)刀具的。這是因為當(dāng)?shù)毒吲c工件表層接觸時，由于刀具前刀面存在微織構(gòu)，出現(xiàn)切削不平穩(wěn)的現(xiàn)象。但是隨著切削不斷進(jìn)行，當(dāng)切削穩(wěn)定后，2種刀具產(chǎn)生的進(jìn)給力并無明顯的差異。

從圖3的有限元仿真結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：條形槽微織構(gòu)刀具產(chǎn)生的切削力波動明顯大于無織構(gòu)刀具的。這是由于前刀面存在微織構(gòu)，在切削過程中產(chǎn)生的切屑與刀具前刀面發(fā)生規(guī)律性微小碰撞，導(dǎo)致切削力存在一定的波動。

綜上，在刀具前刀面制備條形槽微織構(gòu)可有效降低切削力，其中對主切削力影響最顯著，其次是切深力，對進(jìn)給力影響較弱。

(a) 主切削力對比圖Comparison diagram of main cutting force(b)切深力對比圖Comparison diagram of cutting depth force(c) 進(jìn)給力對比圖Comparison diagram of feed force

2.2 已加工表面質(zhì)量有限元分析

在切削加工領(lǐng)域，研究表明已加工表面質(zhì)量與刀具切削性能之間存在著一定的關(guān)系[27]，較好的刀具切削參數(shù)可以獲得較佳的已加工表面質(zhì)量。已加工表面質(zhì)量包括表面粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)力等[28-29]。在實際切削加工中，可以通過觀測工件的已加工表面粗糙度情況來判斷其表面質(zhì)量優(yōu)劣。對于加工硬化，可以通過工件已加工表面的米塞斯(Mises) 應(yīng)力和塑性應(yīng)變來分析其表面加工硬化情況[28-29]。Mises應(yīng)力和塑性應(yīng)變代表工件表面的彈塑性變形程度，其數(shù)值越大、分布越集中，表明工件表面加工硬化程度越嚴(yán)重，表面質(zhì)量越差[28-29]。

圖4為已加工表面質(zhì)量有限元分析結(jié)果。通過對比分析2種刀具切削的工件表面產(chǎn)生的Mises 應(yīng)力和塑性應(yīng)變發(fā)現(xiàn)：條形槽微織構(gòu)刀具切削的工件表面最大Mises 應(yīng)力為9 179.88 MPa，最大塑性應(yīng)變是14.5。而無織構(gòu)刀具切削的工件表面最大Mises 應(yīng)力是25 645.80 MPa，是條形槽刀具切削工件的Mises應(yīng)力的2.79倍。無織構(gòu)刀具切削工件產(chǎn)生的最大塑性應(yīng)變是22.6，是條形槽微織構(gòu)刀具切削工件塑性應(yīng)變的1.56倍。由此可知：條形槽微織構(gòu)刀具切削產(chǎn)生的工件表面質(zhì)量明顯優(yōu)于無織構(gòu)刀具切削的工件表面質(zhì)量。

(a) 條形槽微織構(gòu)刀具切削的已加工表面Machined surface with strip-groove micro-texture tool(b)無織構(gòu)刀具切削的已加工表面The machined surface with non-texture tool

觀察圖4中已加工表面的Mises應(yīng)力分布情況，藍(lán)色部分是未加工表面，紅色、綠色和黃色部分是已加工表面，紅色部分代表較高的應(yīng)力值分布區(qū)域，藍(lán)色代表非高應(yīng)力分布區(qū)域。圖4b中顯示的無織構(gòu)刀具切削的工件已加工表面的紅色部分(高應(yīng)力值)明顯多于圖4a的紅色部分。這也說明無織構(gòu)刀具使工件表面產(chǎn)生較多的高應(yīng)力區(qū)。此外，塑性應(yīng)變也代表了工件表面材料發(fā)生了嚴(yán)重的形變，從而導(dǎo)致其表面質(zhì)量較差。相反地，條形槽微織構(gòu)刀具使工件產(chǎn)生的應(yīng)力較小，塑性應(yīng)變也較小，工件表面材料形變相對較小，形成的表面質(zhì)量較好。除了以上原因，還有2.1部分提到的：條形槽微織構(gòu)刀具產(chǎn)生的切削力較小，減小了刀具與工件表面的摩擦系數(shù)，改善了刀具與工件表層材料的摩擦情況，因而其表面質(zhì)量較好。

3 微織構(gòu)刀具切削試驗

3.1 切削力試驗結(jié)果分析

微織構(gòu)刀具切削試驗在CA6140普通車床上進(jìn)行，并使用Kistler 2825A-02型壓電式三向測力儀系統(tǒng)測量切削過程中產(chǎn)生的切削力，并設(shè)置切削力采集頻率為1 000 Hz。將測力儀收集的切削力數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進(jìn)行處理并繪制曲線，如圖5所示。

(a) 主切削力對比Comparison diagram of main cutting force(b)切深力對比圖Comparison diagram of cutting depth force(c) 進(jìn)給力對比圖Comparison diagram of feed force圖5 切削試驗的切削力對比圖

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：條形槽微織構(gòu)刀具產(chǎn)生的主切削力、切深力明顯小于無織構(gòu)刀具的；條形槽微織構(gòu)對進(jìn)給力的影響很小。切削試驗表明：條形槽微織構(gòu)對主切削力和切深力的影響大于對進(jìn)給力的影響。切削試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本一致。原因是：條形槽微織構(gòu)減小了刀具前刀面與工件表層材料的接觸面積，減小了刀具與工件之間的摩擦系數(shù)，使摩擦力變小，從而產(chǎn)生較小的切削力。

3.2 已加工表面粗糙度結(jié)果分析

利用WYKO光學(xué)輪廓儀檢測條形槽微織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具切削得到的工件表面質(zhì)量，該儀器可直接觀察工件表面形貌，測量工件表面粗糙度。圖6是2種刀具切削的工件在顯微觀察下的表面形貌。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：圖6a中的條形槽微織構(gòu)刀具切削的工件表面光滑連續(xù)，表面質(zhì)量較好，其粗糙度Ra=1.54 μm；圖6b中的無織構(gòu)刀具切削的工件表面較為粗糙，表面形成了斷斷續(xù)續(xù)的鱗次狀，形成的表面質(zhì)量較差，其粗糙度Ra=2.04 μm。切削試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果一致，均表明條形槽微織構(gòu)具有降低工件表面粗糙度，改善已加工表面質(zhì)量的作用。

(a) 條形槽微織構(gòu)刀具切削已加工表面形貌Surface morphology of machined surface by strip-groove micro-texture tool(b)無織構(gòu)刀具切削已加工表面形貌Surface morphology of machined surface bynon-texture tool

4 結(jié)論

在PCBN刀具前刀面制備條形槽微織構(gòu)，結(jié)合有限元仿真和切削試驗，通過對比分析切削力和已加工表面質(zhì)量，探討了條形槽微織構(gòu)對刀具性能的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)條形槽微織構(gòu)刀具產(chǎn)生的主切削力、切深力均小于無織構(gòu)刀具的，微織構(gòu)對主切削力的影響最大，其次是切深力，對進(jìn)給力的影響最小，且有限元結(jié)果和切削試驗結(jié)果基本一致。

(2)有限元和切削試驗結(jié)果均表明條形槽微織構(gòu)可以改善工件已加工表面質(zhì)量，其表面粗糙度僅為1.54 μm。

(3)條形槽微織構(gòu)可以改善刀具的切削性能。切削試驗驗證了有限元仿真結(jié)果的有效性。