718鎳基合金切削加工過程刀具磨損影響研究*

汪東明,單以才

(1.江蘇電子信息職業學院汽車工程學院,淮安 223003;2.南京曉莊學院電子工程學院,南京 211171)

0 引言

金屬切削加工過程中刀具始終為一損耗品,在加工過程中其會不斷被磨損,導致后期加工質量變差,加工精度降低。不僅如此,還會對工件表面應力的分布產生重要影響,進而影響零件后期的疲勞壽命以及抗裂紋、抗腐蝕等多方面性能。目前對于該領域的研究有實驗、仿真以及解析分析,其中實驗分析和仿真分析是主要手段,而解析分析由于其較為復雜,且分析過程有諸多不確定性的因素,導致其目前的使用不是很廣泛。USCA等[1]綜合考慮了切削參數和刀具磨損,對Al/TiN涂層刀具銑削加工Cu-B-CrC進行了研究,其主要考慮切削參數對于刀具磨損的影響以及隨之而來的切削溫度和粗糙度的變化;ZHAO等[2]主要分析了718鎳基合金干切削加工過程中TiAlN涂層刀具的磨損對于切削溫度的影響,其指出與無涂層刀具相比,刀具涂層的存在可以起到隔熱并延長刀具使用壽命的效果;ZHANG等[3]提出了考慮刀具磨損的微銑削力模型,并基于6061鋁合金的實驗結果驗證了相應模型的可靠性;韓俊峰等[4]研究了刀具后刀面磨損對切削力、切削溫度、粗糙度及殘余應力的影響規律,其只是單純的考慮后刀面磨損的影響,也未從本質機理上對不同物理量的變化和其之間的內在關系做相應的分析說明。

本文基于有限元工具對刀具不同磨損形式和磨損量條件下切削718鎳基合金過程進行了相應的仿真,同時對切削力、切削溫度以及表面殘余應力的變化進行相應的分析,從切削力和切削溫度的變化情況去考察切削表面殘余應力的變化,揭露刀具磨損對切削結果的影響本質,為相應的切削過程的優化提供可靠的指導。

1 刀具磨損類型

根據文獻[10],主要將磨損分為前刀面磨損、后刀面磨損、前后刀面和同時磨損4種形式。為了表示所有磨損類型,采用相應的形貌曲線進行建模,如圖1所示。

(a) 未磨損刀具 (b) 刀尖圓磨損 (c) 前刀面磨損 (d) 后刀面磨損

為了簡化模擬,將幾何圖形理想化和放大,以使結果分析更容易。其中刀具1為未磨損的新刀具,刃口鈍圓半徑為20 μm;刀具2為輕微磨損,主要是后刀面磨損,加上工件材料在切削刃上的粘著,改變了切削刃的微觀幾何狀態;刀具3為特定的前刀面月牙洼磨損;刀具4為后刀面磨損。刀具的磨損決定著刀具壽命以及加工表面質量等,本文分析不同刀具磨損情況下切削力和切削溫度以及加工表面殘余應力的變化情況。本文所分析的刀具的磨損類型主要有3種,分別為刀尖圓磨損,前刀面月牙洼磨損以及后刀面磨損,在正交模型中,相應的刀具磨損模型分別如圖2a～圖2c所示。

(a) 刀尖圓磨損示意圖 (b) 前刀面月牙洼磨損示意圖 (c) 后刀面磨損示意圖

2 有限元建模

2.1 本構模型

本文依然選用Johnson-Cook本構模型[5],其目前依然是金屬切削仿真中廣泛使用的本構模型,其表達式為:

(1)

表1 IN718鎳基合金的Johnson-Cook本構模型參數

為提高仿真效率,將刀具設置成剛體,即忽略刀具應力和應變的變化,同時為了較為準確分析工件表面內應力的分布,刀具的溫度及其與工件間的熱傳遞過程在仿真過程還是給予考慮和分析。

2.2 其他物理參數

工件和刀具其他物理性質如表2所示[7]。

表2 IN718鎳基合金和所用刀具的物理參數

2.3 摩擦模型

本文采用修正后的包含粘結區和滑動區的庫倫摩擦模型[8],在滑動區(μσ<τmax),相應的摩擦為:

τ=μσ

(2)

而在粘結區(即μσ≥τmax),刀具和工件間摩擦可表達為:

τ=τmax

(3)

式中:μ為滑動區摩擦系數,τmax為工件材料屈服剪切應力,其可表達為:

(4)

式中:σy為工件材料屈服正應力。對于IN718鎳基合金的屈服剪切應力,本文對其取值為320 MPa。

3 仿真結果分析

仿真過程采用正交切削模型,切削進給量為0.12 mm,切削速度為150 m/min,相應的正交切削過程仿真如圖3所示。

(a) 切削過程應力分布結果 (b) 切削過程溫度分布結果

可以看出,在第一變形區材料的米塞斯應力最大,在切屑與刀具前刀面的接觸區域,相應的溫度最高,相應的仿真結果較為符合常理。

3.1 切削力分析

(1)刀尖圓磨損的影響。切削力隨著刀尖圓半徑的增大而發生的變化如圖4所示。

(a) 切削方向的力 (b) 進給方向的力

可以看出,隨著刀尖圓的磨損,即刀尖圓半徑變大,相應的切削力也呈現逐漸增大的趨勢。相應的現象可以歸結為:當刀尖圓半徑增大后,會使得刀具變鈍,因此切削能力降低,從而導致切削力有增大的趨勢。不過從結果上看,進給方向切削力增大的幅度更大一些,當刀尖圓半徑從0.1 mm增大到0.4 mm過程中,進給方向的力增幅大概80 N左右,切削方向的力增幅大概40 N左右。

(2)后刀面磨損的影響。切削力隨著刀具后刀面磨損量的增大而發生的變化如圖5所示。

(a) 切削方向的力 (b) 進給方向的力

可以看出,隨著刀具后刀面磨損量的增大,切削力同樣會呈現增大的趨勢,相應的現象可歸結為:當刀具后刀面磨損量時,已加工表面與刀具后刀面會形成更大的接觸面積并產生更大的摩擦力,進而表現為宏觀上切削力的增大。切削方向和進給方向的力都有增大趨勢,不過從圖上看,切削方向力的增量不是很明顯,而進給方向的增量較為明顯。

(3)月牙洼磨損的影響。切削力隨著前刀面月牙洼磨損量的增大而發生的變化如圖6所示。

(a) 切削方向的力 (b) 進給方向的力

可以看出,隨著前刀面月牙洼磨損量的增大,切削方向切削力的變化不是很明顯,而進給方向切削力變化較為明顯,不僅如此,進給方向切削力還出現了明顯的震動現象。相應的變化趨勢可以歸結為:當前刀面月牙洼磨損量增大后,切屑流經前刀面時,會與前刀面產生不穩定的接觸和摩擦,隨著月牙洼磨損進一步增大,甚至會產生切屑在月牙洼處的“二次切削”,最終對造成了切削力的增大和波動現象。

3.2 切削溫度分析

切削溫度也是切削過程中的一個重要的必須要考慮的因素。實驗過程通過紅外熱成像所能檢測的只是切削區域外部的最高溫度,無法表征切削區域溫度分布的細節以及工件內部隨深度而變化的溫度分布情況。在本模型中,通過在已加工面添加多個深度方向路徑,并提取相應路徑上的溫度值,并求取相應的平均值,作為該條件下的溫度分布特征。

圖中多個豎直方向的紅色虛線即為在模型中所建立的路徑。基于上述方法,最終求出不同刀具磨損形式和磨損量下的深度方向上的溫度變化曲線如圖7所示。

(a) 不同刀尖圓磨損下的切削溫度分布 (b) 不同后刀面磨損下的切削溫度分布

可以看出,不管何種形式的刀具磨損,都會造成工件已加工表面溫度的升高,相應的現象其實不難理解。當刀尖圓半徑增大后,刀具的切削能力降低,要切除相應的工件的材料,切削區域的材料會發生更大的塑性變形才能使得切屑與工件發生分離,此時更多的塑性變形會產生更多的切削熱,最終導致已加工表面溫度升高;而當刀具后刀面磨損后,直接導致的現象就是刀具后刀面與已加工件表面的接觸面積更大,產生更多的摩擦,也會使得相應的工件表面溫度升高;而前刀面月牙洼磨損的增大,表面看似乎與已加工面溫度關系不大,貌似其只對切屑和前刀面產生影響,其實不然,隨著月牙洼磨損增大,使得刀具溫度升高,進而影響了零件已加工面與后刀面的接觸散熱,因此,月牙洼磨損雖然不直接影響工件已加工面溫度分布,但是其有著間接的作用和影響。

3.3 殘余應力分析

已加工表面殘余應力分布主要受前期的切削力和切削溫度的影響,不過材料的相變所引起的體積的變化也會對殘余應力產生影響,本文仿真過程并未考慮相應的相變的影響,因為相應的溫度并未達到材料的相變點。相應的殘余應力提取方法與前面溫度提取方法一致,即通過在工件深度方向作多個路徑,并提取相應路徑上的殘余應力值,最后對其求平均,作為該條件下殘余應力的分布特征。這里需要說明的是,殘余應力的性質決定了其是有利還是有害的。一般情況下,殘余壓應力是有利的,其可以增大工件的疲勞壽命以及抵抗裂紋的能力,而殘余拉應力則會起到相反的作用。

(1)刀尖圓半徑的影響。最終得到不同刀尖圓半徑下工件表面殘余應力分布如圖8所示。

(a) X方向的殘余應力分布 (b) Z方向的殘余應力分布

可以看出,基本的趨勢就是隨著刀尖圓半徑增大,殘余應力呈現逐漸惡化趨勢。根據前面的結果可知,當刀尖圓半徑增大時,切削力和切削溫度都會呈現增大趨勢,而切削力和切削溫度對于殘余應力的影響趨勢是相反的[9],切削溫度的增大會使得表面材料產生更大的熱塑性變形,進而惡化殘余應力,而且切削力的增大使得表面材料產生更大的機械應力塑性變形,可優化殘余應力。在刀尖圓半徑從0.1 mm增大到0.2 mm過程中,殘余應力分布變化出現反常現象,這主要是該過程切削力起到主導作用,而后期切削溫度起主導作用。

(2)后刀面磨損的影響。不同后刀面磨損下工件表面殘余應力分布如圖9所示。

(a) X方向的殘余應力分布 (b) Z方向的殘余應力分布

可以看出,隨著后刀面磨損量增大,表面殘余應力呈現逐漸惡化的趨勢,這主要還是歸結于后刀面與已加工表面產生更多的摩擦,使得表面溫度升高所導致。不過切削力的增大也是不容忽視的,同樣是后刀面磨損量從0.1 mm增大到0.2 mm的過程中,出現了相應的反常現象,因為該區域中,溫度的變化還不足以使得工件表面呈現更大的熱塑性變形,這時候切削力起主導作用,由于切削力的增大,使得殘余拉應力降低或者殘余壓應力增大。

(3)月牙洼磨損的影響。不同月牙洼磨損下的工件表面殘余應力分布如圖10所示。

(a) X方向的殘余應力分布 (b) Z方向的殘余應力分布

可以看出,與另外兩種刀具磨損形式下的殘余應力變化相比,這里的變化不是很明顯,主要是因為月牙洼的磨損的主要作用區域是前刀面與切屑的相互作用,而對于后刀面或者已加工表面的影響是間接的,且是次要的,根據前期切削力和表面溫度的變化曲線看,其相應的變化是最不明顯的,因此,對表面殘余應力的影響也是最不明顯的。不過部分曲線在后面有突變部分,這主要是因為模型的底部是完全固定的,其跟模型底部材料產生相互作用,進而產生相應的應力突變。

4 實驗過程

對于不同的刀具磨損下所引起的表面殘余應力的變化,本文同時基于相應的實驗過程進行分析。刀具在不同的切削條件下引起的刀尖圓磨損、后刀面磨損以及月牙洼磨損,如圖11所示。

(a) 刀尖圓磨損 (b) 后刀面磨損 (c) 月牙洼磨損

基于不同磨損情況下的刀具對718鎳基合金進行切削加工,并對加工后的工件的表面殘余應力基于X射線應力儀進行相應的分析,相應的裝置如圖12所示。

(a) 車削實驗過程 (b) X射線應力儀

對相應的加工件的表面殘余應力通過X射線應力儀結合腐蝕剝層進行測試分析,最終得到結果如圖13～圖15所示。

(a) X方向的殘余應力分布 (b) Z方向的殘余應力分布

(a) X方向的殘余應力分布 (b) Z方向的殘余應力分布

(a) X方向的殘余應力分布 (b) Z方向的殘余應力分布

可以看出,實驗結果與仿真結果雖然具體的數值上存在相應的差別,但是在相應的變化趨勢上,呈現了較好的一致性,說明相應的刀具磨損對于切削結果的影響是較為確定的。

5 結束語

原文基于Abaqus對于IN718鎳基合金在刀尖圓、后刀面以及月牙洼3種不同刀具磨損形式和磨損量條件下的正交切削過程進行了仿真,并對切削力、切削溫度以及切削表面殘余應力的分布進行了相應的提取、比較和分析,同時基于實驗過程對于相應的殘余應力分布進行了相應的測試,最終得出刀具磨損對切削過程不同物理量的影響趨勢,最終得到結論如下:

(1)任何一種形式的刀具磨損都會導致切削力的增大和切削溫度的升高,不過刀尖圓磨損的影響最為明顯,后刀面磨損次之,前刀面月牙洼磨損的影響最小。

(2)切削力和切削溫度對于殘余應力分布的影響趨勢相反,隨著切削溫度的升高,殘余應力呈現惡化趨勢,而隨著切削力的增大,殘余應力呈現優化趨勢。

(3)總體而言,隨著刀具磨損量的增大,工件表面殘余應力會呈現逐漸惡化趨勢,但是偶爾也會出現反常,這主要歸結于前期切削溫度的升高不足以使得零件表面的熱塑性變形增大,導致此時切削力占主導作用,而后期當切削溫度繼續升高后,使得零件表面產生了相應的熱塑性變形,此時,切削溫度占主導作用。