刀具幾何角度對高強度鋼切削力影響的仿真研究

王書利，張 瑩，蔡 瑛，姜增輝

(1.內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭 014030；2.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

1 引言

高強度鋼因其強度高、耐腐蝕性好、耐高溫及良好的成形性等特點不僅廣泛應用在民用工業領域，在常規武器制造領域也擁有很大的需求[1]。高強度鋼材料在切削加工過程中切削力較大，由于切削力是機床、夾具設計和選用的重要參考依據[2-3]，是選擇刀具時需要考慮的重要因素，因此，為合理選擇機床和刀具，提高切削加工時的穩定性和改善工件表面質量，對高強度鋼切削中切削力的研究具有重要意義。

通過仿真研究切削力效率高、成本相對較低，近年來逐漸受到一些學者的關注。文獻[4]通過DEFORM-3D仿真研究了合金鋼30CrNiMo8在不同切削參數下的切削力變化情況。文獻[5]基于正交試驗建立了高強度鋼H13銑削力和表面粗糙度的經驗模型。文獻[6]基于ABAQUS進行了30CrMnSiA合金鋼正交切削仿真，得到了刀具幾何角度對切削過程中的塑性變形區域和應力分布區域的影響規律。

基于AdvantEdge建立了高強度鋼34CrNiMo6的切削仿真模型，研究了切削加工高強度鋼時刀具幾何角度對切削力的影響規律。

2 仿真建模

2.1 本構模型

材料本構模型采用冪指數模型：

式中，g(εp)—應變硬化項；Γ(ε˙)-應變率敏感項；Θ(T)-熱軟化項。

應變硬化項表達式如下，如果εp＜εpcut，則：

式中：σ0—初始屈服應力；εp—塑性應變；— 切斷應變；—參考塑性應變；n—應變硬化指數。

熱軟化項表達式如下，如果T＜Tcut，則：

如果T≥Tcut，則：

式中：c0～c5—多項式擬合系數；T—溫度；Tcut—線性切斷溫度；Tmelt—材料熔點溫度。

2.2 接觸摩擦模型

接觸摩擦模型采用庫倫摩擦模型，摩擦系數設為0.5，表達式如下：

式中：τf—摩擦力；μ—摩擦系數；p—正壓力。

2.3 仿真切削力

仿真得到的34CrNiMo6高強度鋼正交切削過程，如圖1所示。后處理得到仿真切削力，如圖2所示。(圖中Force-X為主切削力Fc，Force-Y為進給抗力Ff)。

圖1 切削過程仿真Fig.1 Simulation of the Cutting Process

34CrNiMo6的抗拉強度為1300 N/mm2，由刀具切削手冊[7]查得此類高強度鋼材的主切削力計算公式：

式中：Fc—主切削力/N；

Kc—單位切削力/(N/mm2)；

h—切削厚度/mm；m—修正系數；

A—切屑截面積/mm2，且：

式中：ap—切削深度/mm；

fa—進給量/(mm/r)；

Kr—刀具的主偏角/(°)。

圖2 仿真瞬時切削力Fig.2 Simulation of the Instantaneous Cutting Force

刀具切削手冊[7]查得，由切削實驗得到的抗拉強度為1100-1400N/mm2高合金鋼的單位主切削力Kc=2500N/mm2，修正系數m=0.25。由此計算得到在ap=1mm，fa=0.3mm/r，Kr=90°條件下的主切削力為1013.4N。對比圖2仿真切削力可知，仿真主切削力峰值為971.2N，由于仿真切削中忽略了刀具磨損后刃口半徑增大對切削力的增大影響，因此仿真切削力略小于由式(9)得到的計算值。總體來看，仿真結果與計算結果是比較接近的，可以證明仿真模型的有效性。

3 仿真研究方案

為研究刀具主要幾何角度對切削力的影響規律，以刀具刃口半徑ρ、刀具前角γ0、刀具后角α0作為三個主要因素，建立三因素四水平的正交仿真研究方案，如表1所示。

表1 L16(43)正交仿真研究方案Tab.1 L16(43)Orthogonal Simulation Research Scheme

仿真切削參數為：切削速度vc=100m/min、進給量fa=0.3mm/r、切削深度ap=1mm、干切削。

4 極差分析

根據L16(43)正交仿真方案，進行了仿真研究，得到主切削力Fc、進給抗力Ff，如表2所示。切削力Fc、Ff的極差分析結果，如表3所示。由極差值得到對主切削力Fc影響的各個因素主次順序為：刃口半徑＞前角＞后角，在選定的研究參數范圍內，主切削力最小的最優方案為A1B4C1，即ρ=0.01mm，γ0=10°，α0=4°；對進給抗力Ff影響的各個因素主次順序為：前角＞刃口半徑＞后角，在選定的研究參數范圍內，進給抗力最小的最優方案為A1B4C2，即ρ=0.01mm，γ0=10°，α0=8°。

表2 L16(43)正交仿真切削力Tab.2 L16(43)Orthogonal Simulation Cutting Force

表3 切削力仿真結果極差表Tab.3 Range Analysis Table of Simulation Cutting Force

根據表3中的數據做出切削參數對切削力影響的直觀分析圖，如圖3所示。由此可知，主切削力、進給抗力均隨著刀具刃口半徑的增大而增大，隨著刀具前角的增大而減小，而后角變化對二者均無明顯影響。

圖3 刀具幾何角度對切削力的影響Fig.3 The Influence of the Tool Geometry Angle on the Cutting Force

5 方差分析

5.1 主切削力Fc方差分析

對主切削力進行方差分析計算得到結果，如表4所示。通過對F值分布表進行查閱可得到其臨界值為F0.05(3，6)=4.757，F0.01(3，6)=9.78。

表4 主切削力Fc方差分析表Tab.4 Variance Analysis Table of the Main Cutting Force Fc

由表4可知：對于主切削力Fc，刃口半徑和前角影響非常顯著，后角影響不顯著。刀具幾何角度中對主切削力Fc影響的顯著性順序為：刃口半徑＞前角＞后角。

5.2 進給抗力Ff方差分析

對進給抗力進行方差分析計算得到結果，如表5所示。對于進給抗力Ff來說，刃口半徑和前角影響非常顯著，后角影響不顯著。刀具幾何角度中對進給抗力Ff影響的顯著性順序為：前角＞刃口半徑＞后角。

表5 進給抗力Ff方差分析表Tab.5 Variance Analysis Table of the Feed Force Ff

6 結論

(1)刀具幾何角度對主切削力Fc影響的主次關系為：刃口半徑＞前角＞后角；對進給抗力Ff影響的主次關系為：前角＞刃口半徑＞后角。(2)主切削力Fc、進給抗力Ff均隨著刃口半徑的增大而增大，隨著前角的增大而減小。后角變化對二者均無明顯影響。(3)由方差分析可知，刃口半徑對主切削力Fc影響最顯著，前角對進給抗力Ff影響最顯著，后角對切削力Fc、Ff影響均不顯著。