高壓冷卻條件下刀具摩擦性能的仿真研究

王飛杰，郭文亮，劉潤愛，宮曉琴

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

1 引言

316 奧氏體不銹鋼具有良好的機械性能和化學性質，在各行各業有著極為廣泛的應用；然而，316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、刀具磨損快。已有的研究表明：在切削過程中，屑-刀-工接觸面上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。近年來，針對切削難加工材料出現的一種高壓冷卻輔助加工技術（High-Pressure-Coolant，HPC）能提升切削液進入切削加工區的滲透能力，提高切削液的冷卻效果和潤滑效果，是一種高效可行的難加工材料輔助加工技術[1]。這里采用一種內冷式高壓冷卻方法，有助于減小切削力、分離刀-屑接觸、改善刀-屑間的摩擦性能。

文獻[2]對干式車削淬硬鋼的摩擦特性進行了有限元仿真研究，通過使用DEFORM有限元軟件模擬仿真在不同刀-屑間摩擦系數下的PVBN刀具車削Cr12MoV工件，研究了不同刀-屑間的摩擦系數μ 對切削力和切削溫度的影響和作用機理。文獻[3]對刀具摩擦磨損的研究方法進行了綜述。文獻[3]提到的切削試驗法，具體是在車床上架設力傳感器測量三個方向的切削分力、在刀具上埋設熱電偶測定切削區的溫度。文獻[4]研究了WC/TiC 層狀陶瓷刀具材料在干摩擦條件下與316L不銹鋼之間的摩擦磨損性能。使用了CFT-I型材料表面性能綜合測試儀測試層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦磨損性能。已有研究大部分是基于干摩擦的切削環境或者是建立在試驗的基礎上，考慮到節約成本和減小試驗誤差，日益成熟的有限元技術可以實現這一目的[5]。為提高316不銹鋼18Cr-12Ni-2.5Mo的加工特性與改善刀具的摩擦性能，需要進行切削參數的優化設計。因此，本文采用正交試驗法，利用Third Wave AdvantEdge 仿真軟件，在干切削（DRY）和高壓冷卻（HPC 200 bar）兩種不同切削條件下模擬切削316不銹鋼，得出不同切削參數、不同切削條件對刀-屑間的摩擦系數μ 的影響規律。

2 有限元建模

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0.8mm、前角γ0為15°、后角α0為5°的涂層刀具。在AdvantEdge-2D 中建立刀具模型，如圖1所示。刀具的材料選用硬質合金，涂層為0.005mm 的TiN，設置其邊界初始溫度為20℃。316不銹鋼的工件模型為h=2mm；L=9mm 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5mm。

圖1 刀具與工件有限元模型Fig.1 Tool and Workpiece Finite Element Model

2.2 材料模型

將采用316 不銹鋼的化學元素組成作為工件的材料模型。18Cr-12Ni-2.5Mo的化學元素組成（wt%）[6]，如表1所示。

表1 18Cr12Ni2.5Mo的化學元素組成（wt %）Tab.1 Chemical Composition of 18Cr-12Ni-2.5Mo（wt%）

2.3 參數設置

在參數設置中，為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切削參數。具體數值，如表2所示。高壓冷卻的切削過程中，切削液通過外界作用力有效地沖破汽化屏障而與切削加工區進行強制對流換熱，并在刀-屑與刀-工接觸面間形成周期性潤滑膜，增加了潤滑效果[7]。高壓冷卻的強制對流換熱系數可以由式（1）計算，即：

表2 切削試驗的正交試驗表Tab.2 Orthogonal Test Table for Cutting Test

式中：h—強制對流換熱系數，W（/m2·K）；Nu—無量綱努賽爾數；d1—潤滑膜的厚度，mm；λ—流體的導熱系數，W(m·K)。經式（1）計算得出，當切削液壓強為200 bar時，切削液的強制對流換熱系數為4800 W/(m2·K)[8]。由于切削液壓強可影響刀-屑和刀-工接觸面上的摩擦力，因此干切削下的摩擦系數設置為0.6、高壓冷卻（HPC 200bar）切削下的摩擦系數設為0.15。

在AdvantEdge-2D 中為了模擬高壓冷卻切削過程，需開啟Coolant模塊，具體設置為：內冷式噴射孔的直徑d設置為1mm時，噴射效果以及刀具強度最優，取Jet Radius為0.5mm[9]；考慮到刀具的強度，噴射孔在前刀面上距刀尖的距離l為2.3mm，以工件左下角為原點（0，0），根據不同的進給量f，噴射中心（Nozzle Location）的Y值也有所變化，計算式為式（2）、式（3），具體數值，如表3所示。

表3 噴嘴位置Tab.3 Nozzle Location

式中：L—工件的長度，mm；l—噴射孔在前刀面上距刀尖的距離，mm；h—工件的寬度，mm；f—進給量，mm/r；γ0—刀具前角，°。

切削液出噴射孔與前刀面呈30°，高壓射流角度，如圖2所示。經計算噴射角度為225°；高壓冷卻設置冷卻液的壓強為200 bar，利用ANSYS 的Fluent 模塊進行仿真，高壓射流速度，如圖3所示。取噴射速度為160m/s。

圖2 噴射角度圖Fig.2 The Picture of Jet Angle

圖3 噴射速度ANSYS 仿真Fig.3 Jet Speed ANSYS Simulation

2.4 刀-屑間的摩擦系數的計算

在三維正交切削中，

式中：Fx—進給抗力，N；

Fy—切深抗力，N；

Fz—主切削力，N；

Fxy—合力Fr在基面上的分力，N；

kr—主偏角，°；

β—摩擦角，°。

在AdvantEdge-2D中，切削速度的方向與X軸平行，進給速度的方向與Y軸平行，得X方向上的力為主切削力，Y方向上的力為進給抗力[10]。為得出不同切削參數、不同切削條件下的刀-屑間的摩擦系數μ，進行如下操作：（1）根據正交試驗的參數設計，利用AdvantEdge-2D 仿真在正交參數下分別得出干切削和高壓冷卻（HPC 200 bar）的主切削力（X方向）和進給抗力（Y方向），利用式（6）計算出切深抗力；（2）將主切削力和算得的切深抗力代入式（7），得出不同切削參數、不同切削條件下的刀-屑間摩擦系數μ=tanβ。

3 結果與討論

3.1 正交切削分力研究

這里使用正交切削試驗法通過研究切削分力來研究刀具的摩擦性能。在有限元仿真中，分別在正交試驗的切削參數下就干切削（DRY）和高壓冷卻（HPC 200 bar）兩種切削環境對切削分力（主運動方向和進給方向）進行測量。仿真結果，如圖4所示。

由圖4可知，切削參數的三個因素在兩種切削環境下對主切削力和進給抗力的影響程度是一致的，從大到小依次為：背吃刀量、進給量、切削速度。以切削分力最小為目標選擇最優的切削參數組合時，在干切削（DRY）切削環境下，從主切削分力和進給抗力方面考慮選擇最優參數組合為：切削速度vc（120m/min）、進給量f（0.1mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）；在高壓冷卻（HPC 200 bar）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（120m/min）、進給量f（0.1mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）；從進給抗力方面考慮選擇最優參數組合為：切削速度vc（80m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）。

由圖4 可以看出，在同樣的切削參數下，在高壓冷卻（HPC 200 bar）切削環境中切削時的主切削分力、進給抗力比干切削（DRY）時的主切削分力、進給抗力分別降低了（5～11）%、（3～28）%，不過部分切削參數除外：ap（0.2mm）；ap（0.6mm）；f（0.2mm/r）；vc（80m/min）。

圖4 切削分力-三因素Fig.4 Cutting Force-Three Factors

3.2 刀-屑間摩擦系數研究

在車削試驗中，通過測量出主切削力Fz和切深抗力Fy可利用式（7）求出前刀面與切屑接觸面間摩擦系數μ。在有限元仿真中，同樣利用這種方法，高效地計算出在正交試驗參數下不同切削環境中刀-屑間的摩擦系數μ。仿真結果，如圖5所示。

由圖5 可以看出，在同樣的切削參數下，在高壓冷卻（HPC 200 bar）切屑環境中切削時的刀-屑間的摩擦系數μ與干切削（DRY）相比降低了（3～11）%，不過部分切削參數除外：f（0.1mm/r）。切削參數的三個因素在兩種切削環境下對刀-屑間摩擦系數μ的影響程度是一致的，從大到小依次為：進給量、切削速度、背吃刀量。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（120m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（1mm）；在高壓冷卻（HPC 200 bar）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（80m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）。

圖5 刀-屑間的摩擦系數μ-三因素Fig.5 Tool-Chip Friction Coefficient μ-Three Factors

4 試驗驗證

為了驗證有限元仿真的準確性與可行性，使用車削實驗法來研究刀具的摩擦性能。試驗工件采用直徑為60 mm的316不銹鋼棒料，車床采用CA6140車床，特制的內冷式車刀（刀尖半徑r為0.8mm、前角γ0為15°、后角α0為5°的YW1 硬質合金刀具），YDCB-III05 壓電石英三向車削測力儀安裝在刀架上，車削2 分鐘，采集數據。車削試驗，如圖6所示。

圖6 車削試驗裝置Fig.6 Turning Test Equipment

從刀-屑間摩擦系數μ方面考慮選擇最優的切削參數組合（DRY：切削速度vc（120m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（1mm）；HPC 200 bar：切削速度vc（80m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）），來進行試驗驗證。試驗結果如表4所示。

表4 試驗驗證表Tab.4 Test Verification

5 結論

基于Third Wave AdvantEdge 模擬仿真干切削（DRY）和高壓冷卻（HPC 200 bar）兩種切削條件在正交切削參數下的切削進程，得出主切削力Fz和切深抗力Fy，計算出刀-屑間的摩擦系數μ。通過兩種切削條件的對比分析，研究內冷式高壓冷卻對刀具摩擦性能的影響規律，研究結果表明，

（1）切削參數的三個因素在兩種切削環境下對刀-屑間的摩擦系數μ的影響程度是一致的，從大到小依次為：進給量、切削速度、背吃刀量；

（2）在同樣的切削參數下，對于主切削分力、進給抗力、刀-屑間的摩擦系數μ，高壓冷卻（HPC 200 bar）較干切削（DRY）相比，所得值降低了（5～11）%、（3～28）%、（3～11）%；

（3）選擇最優的切削參數組合時，從刀-屑間摩擦系數μ方面考慮，在干切削（DRY）切削環境下選擇最優參數組合為：切削速度vc（120m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（1mm）；在高壓冷卻（HPC 200 bar）切削環境下選擇最優參數組合為：切削速度vc（80m/min）、進給量f（0.2mm/r）、背吃刀量ap（0.2mm）。