基于切削仿真技術的廢舊刀片再利用

薛飛，黃忠，張秋平，王冬，孫云峰，王劍

1. 上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

2. 上海電機學院 上海 200120

1 序言

曲軸AF20（見圖1）工序是粗、精車曲軸各擋主軸頸、法蘭外圓、溝槽和各端面的工序。通過卡盤分別夾持曲軸的法蘭端和軸頭端外圓，用車刀對各個主軸頸外圓進行車削[1]（見圖2），具有加工效率高、柔性好的特點。

圖1 曲軸“車-車拉”設備

圖2 曲軸車削加工

2 背景

粗車主軸頸和扇板端面采用的都是CNMT120612菱形刀片。原工藝在車削曲軸止推面和扇板端面時，都只使用菱形刀片上80°刀尖（下文簡稱銳角刀尖）進行車削。而100°的刀尖（下文簡稱鈍角刀尖）得不到利用，白白浪費。根據曲軸扇板的加工輪廓，鈍角刀尖也能代替銳角刀尖滿足加工的要求（見圖3）。但由于原刀片的設計中，鈍角不需要有切削功能，因此采用鈍角切削存在以下幾個不確定因素需要驗證。

圖3 曲軸扇板由銳角刀尖改用鈍角刀尖切削

1）曲軸粗加工為了追求較高的加工效率，選用了較大的切削參數，背吃刀量ap＝3mm、進給速度vf＝0.4mm/min、切削速度v＝120m/min。鈍角刀尖產生的切削抗力與原銳角刀尖相比是否會明顯增大，機床主軸功率、進給系統強度以及工藝系統剛性能否承受[2]。

2）在曲軸“車-車拉”刀盤上，圓周分布了40把不同的刀具，根據刀具管理器中設定的使用壽命進行換刀，采用替換刀分組切換。整個刀盤上的刀具使用壽命都相互匹配。如果使用鈍角刀尖加工方式，刀具使用壽命明顯低于銳角刀尖，就會造成整組刀具提前換刀，從而大大增加刀具成本。

以往的試刀方式是請刀具供應商制造實物，在機床上試驗并跟蹤觀察實際使用效果，再根據刀具失效形式分析做針對性的改進，存在刀具優化周期長、效率低和成本高的問題。通過有限元仿真手段可分別對CNMT120612菱形刀片銳角和鈍角刀尖的加工過程進行模擬，得出切削力、溫度和刀具磨損的對比結果，研究鈍角刀尖切削扇板的工藝性。

3 仿真過程

測繪刀片并建模（見圖4、圖5）。CNMT120612菱形刀片法后角為0°，其長寬高等尺寸可以通過外徑千分尺測得。前角及斷屑槽相關角度和長度尺寸可將刀片沿正交平面用線切割剖開后，通過電子放大鏡測量。在三維設計軟件中，通過拉伸及放樣功能實現建模，模型以STL格式保存。

圖4 CNMT120612刀片實物

圖5 CNMT120612刀片建模

采用Deform-3D軟件中的車削仿真模塊。按實際加工參數設定切削條件及初始環境溫度、熱傳導率和摩擦因子等邊界條件（見圖6）。

導入刀片模型并選擇刀片的主運動方向及刀尖點（見圖7），再設定“工具支托參數”。其中“滑前角”表示刀具繞刀尖點的旋轉角度，該角度與刀具的主偏角有關；“后傾角”表示刀具的主后角；“側傾角”表示刀具的副后角（見圖8）。可以對鈍角刀尖設定不同的刀片工作角度，模擬出切削負載等需要驗證的數據，并依據模擬結果逐步優化刀具角度[3]。其中與主偏角有關的要素有切削刃與工件輪廓的干涉情況、主切削力沿軸向和徑向分力的比例以及切屑厚度等。較小的主偏角能提高刀尖強度和散熱能力，延長刀具使用壽命。綜合扇板的實際加工情況，將主偏角設為75°。由于刀尖角已經確定，因此刀具副偏角為5°。與主后角有關的要素有切削刃的強度與后刀面的磨損情況。由于采用機夾式刀片，因此在切削刃楔角已經確定的情況下，后角增大將會使前角減小。考慮到扇板加工屬于斷續切削，存在較大的沖擊，同時曲軸材質為非調質鋼，有一定的韌性，由于已加工表面金屬回彈，因此會加劇后刀面與已加工表面的磨損。綜合實際加工情況，將主后角設定為5°。

圖7 選擇刀尖點

圖8 設定刀具角度

定義刀具材質和涂層厚度。綜合刀具的模擬精度與運算速度，將刀具劃分為4萬個網格（見圖9）。采用簡化的切削模型，設置模擬切削長度30mm，并采用相對網格劃分方式，以進給量的40%設定工件網格大小。由于曲軸材質為非調質鋼，其力學性能與45鋼類似。可在材料數據庫中選取45鋼定義工件材質，并將非加工面添加約束，所有工件表面定義為熱傳導面（見圖10）。

圖9 刀具網格劃分

圖10 定義工件

4 仿真結果

（1）刀具磨損分析 由刀具切削仿真溫度分布云圖（見圖11）可知，最高切削溫度出現在靠近刀尖的切屑表面。其中鈍角刀尖最高切削溫度為1010℃，而銳角刀尖最高切削溫度為1130℃。采用鈍角刀尖后，最高切削溫度下降10.6%。由溫度曲線（見圖12）也可知，鈍角刀尖切削的平均溫度約900℃，而銳角刀尖切削的平均溫度約1080℃，采用鈍角刀尖后，平均切削溫度下降約16%。由刀具界面溫度分布云圖（見圖13）可知，鈍角刀尖界面最高溫度為629℃，銳角刀尖界面最高溫度為842℃，且鈍角刀尖的溫度分布面積更大。由于刀具使用壽命與溫度成反比，因此可推論采用鈍角刀尖切削，刀具使用壽命將比原工藝有所提升。

圖11 鈍角刀尖與銳角刀尖切削溫度分布云圖對比

圖12 鈍角刀尖與銳角刀尖切削溫度曲線

圖13 鈍角刀尖與銳角刀尖刀具界面溫度分布云圖對比

（2）切削力分析 分別選取兩種刀尖模擬的第975步時的刀具界面壓力云圖進行對比（見圖14），可知鈍角刀片的切削負荷分布在切削刃及靠近刀尖點的較大區域內，銳角刀片的切削負荷主要集中在刀尖點附近。因此可推論銳角刀尖相對崩刀的風險較高。

圖14 鈍角刀尖與銳角刀尖刀具界面壓力云圖對比

在模擬坐標系中，Y軸對應刀具主運動方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖Y軸負載曲線（見圖15）可知，鈍角刀尖的主切削力穩定值為7000N，銳角刀尖的主切削力為6220N。即鈍角刀尖的主切削力相較銳角刀尖增加了12.5%。觀察銳角刀尖實際加工時機床主軸功率利用率在35%，因此雖然切削負載增加，但尚在可以承受的范圍。

圖15 鈍角刀尖與銳角刀尖Y軸負載曲線

在模擬坐標系中，X軸對應曲軸徑向方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖X軸負載曲線（見圖16）可知，鈍角刀尖的徑向力穩定值為1500N，銳角刀尖的徑向力為1460N。即鈍角刀尖的徑向力相較銳角刀尖增加了3%，變化不大，可忽略不計。

圖16 鈍角刀尖與銳角刀尖X軸負載曲線

在模擬坐標系中，Z軸對應曲軸軸向方向。由鈍角刀尖與銳角刀尖Z軸負載曲線（見圖17）可知，鈍角刀尖的軸向力穩定值為1450N，銳角刀尖的軸向力為910N。即鈍角刀尖的軸向力相較銳角刀尖增加了59%。要減小軸向分力，則需要增大主偏角。在刀尖角為100°時，考慮到還要留有一定的副偏角，因此75°已經是允許取值最大的主偏角。同時考慮到軸向是曲軸剛性較好的方向，尚在可以承受的范圍。

圖17 鈍角刀尖與銳角刀尖Z軸負載曲線

綜上，使用鈍角刀尖相較于原銳角刀尖方案，推測刀具的切削溫度有所下降，刀具使用壽命增加。但是切削負載會有所增加，尤其是曲軸軸向力會有明顯增大，但尚在可以承受的范圍，需進一步試驗。

5 刀座設計

依據有限元仿真的主偏角、主后角和副后角等角度設計鈍角刀座（見圖18），并委托刀具供應商制造。

圖18 設計鈍角刀座

6 結束語

利用對切削過程的有限元仿真技術對CNMT120612菱形刀片銳角和鈍角刀尖的切削力和切削溫度進行模擬，研究了在車削主軸頸止推面工步上使用菱形刀片的80°銳角切削，待銳角刀尖磨損后換至車削扇板工步，用鈍角切削的工藝可行性。充分利用廢舊刀片，不僅可以節省刀具成本，而且減少了環境污染。