基于可換刀片U鉆刀具結(jié)構(gòu)改進(jìn)仿真分析

摘 要：為了提高U鉆刀具的鉆削性能，本文研究了U鉆的刀具結(jié)構(gòu)。針對(duì)U鉆加工鈦合金難斷屑問題，提出了二平折線分屑槽刀具結(jié)構(gòu)方案，采用AdvantEdge軟件建立了U鉆加工鈦合金的有限元模型并進(jìn)行仿真分析，得到刀具的應(yīng)力、溫度和速度云圖。仿真結(jié)果表明，本文提出的方案斷屑較好。最后采用可信的比較標(biāo)準(zhǔn)（例如加工過程中應(yīng)力P和溫度T等的分布規(guī)律）進(jìn)行評(píng)估，表明所提出的二平折線分屑槽刀具結(jié)構(gòu)方案有效、可行。

關(guān)鍵詞：U鉆；刀具結(jié)構(gòu)；AdvantEdge仿真

中圖分類號(hào)：TG 713" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

TC4鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度大、抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐熱、耐低溫和無磁性等優(yōu)點(diǎn)，在兵器、航空航天、船舶和汽車等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。但是鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、塑性差且彈性模量低，導(dǎo)致其鉆削性能較差。因此，研究鈦合金的鉆削性能具有重要意義。

國(guó)、內(nèi)外學(xué)者對(duì)TC4進(jìn)行了鉆削仿真研究。馮杰等人利用有限元分析軟件Abaqus對(duì)TC4鈦合金薄壁件鉆削加工過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，獲得鉆削加工過程中鉆削力的變化特征和鉆削參數(shù)對(duì)鉆削力的影響規(guī)律；姜銘等人利用Abaqus有限元仿真軟件對(duì)鈦合金薄壁件鉆削進(jìn)行分析，研究鉆頭刃型、幾何參數(shù)對(duì)鉆削軸向力和扭矩的影響；陳俐華等人研究了TC4鈦合金麻花鉆鉆削方式和軸向力分布規(guī)律；賈永鵬等用有限元軟件模擬了船用柴油機(jī)機(jī)身的深孔鉆削過程，得到了溫度的分布情況，研究了切削用量對(duì)鉆削溫度的影響規(guī)律[1]。

目前現(xiàn)有U鉆在斷屑方面存在難斷屑、不斷屑等特點(diǎn)，在一定程度上影響了其鉆削性能的發(fā)揮。為了進(jìn)一步提高U鉆的鉆削性能，需要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易斷屑的U鉆。本文對(duì)U鉆的刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用AdvantEdge軟件建立了U鉆加工鈦合金的有限元模型，仿真得到優(yōu)化的U鉆刀具仿真云圖。并對(duì)仿真云圖進(jìn)行研究，分析刀具結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)加工過程中應(yīng)力P和溫度T等分布規(guī)律的影響，為同類刀具斷屑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和改進(jìn)方向。

1 幾何模型的建立

1.1 幾何模型的建立概述

在NX中建立可換刀片U鉆刀具的結(jié)構(gòu)模型。在鉆削過程中，斷屑機(jī)理變形過程包括2個(gè)部分，即鉆削產(chǎn)生的基本規(guī)律變形和鐵屑在流動(dòng)、卷曲過程中產(chǎn)生的附加變形。改進(jìn)前U鉆有斷屑槽，但是沒有分屑槽，斷屑效果不明顯。增加分屑槽，使鐵屑先產(chǎn)生犁溝基本變形規(guī)律，再斷屑，即將大鐵屑細(xì)小化。基于此，本文設(shè)計(jì)了有分屑槽的U鉆刀具的結(jié)構(gòu)模型，改進(jìn)后的刀具U鉆增加了二平折線分屑槽，如圖1所示。

1.2 鉆削參數(shù)、切削力的分析

U鉆鉆削軸類管材內(nèi)孔示意圖如圖2所示。在實(shí)際鉆削仿真加工中，Vf=12 mm/min，Vc=150 m/min，fn=0.01 mm/r，ap=10 mm，Dc=40 mm，n=1 200 r/min，Kr=60°。

鉆削中的切削力示意圖如圖3所示。本文采用控制變量法研究切削三要素，即切削速度Vc、進(jìn)給速度Vf和切削深度ap與進(jìn)給力Ff間的關(guān)系。查《鉆削應(yīng)用指南》所得切削速度Vc、進(jìn)給速度Vf、切削深度ap與進(jìn)給力Ff量化計(jì)算過程如公式（1）～公式（3）所示。

Vc=3.14·Dc·n/1000 （1）

Vf=fn·n （2）

Ff=0.65·ap·fn·kcfz·sinKr （3）

公式（3）kcfz為特定切削力，查表為3 750 N/m2。現(xiàn)給出仿真切削速度為150 m/min、進(jìn)給速度為10 mm/min～30 mm/min，ap為10 mm，Dc為40 mm，Kr為60°。具體仿真參數(shù)見表1[2]。

3 有限元模型的建立

在仿真過程中，材料的分離是由材料的失效準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)的，本文選用熱力耦合J-C模型損傷準(zhǔn)則，如公式（4）所示。

（4）

式中：A、B、C、n、m為材料參數(shù)；σf為等效應(yīng)力；εp為塑性應(yīng)變；ε0為參考應(yīng)變；T0為參考溫度；Tmelt為熔化溫度。

εf為當(dāng)材料失效時(shí)的等效應(yīng)力，如公式（5）所示。

（5）

式中：d1、d2、d3、d4、d5為失效參數(shù)[3-5]。

工件和刀具的材料性能對(duì)比見表2。

本文采用溫度-位移的顯示瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步。相互接觸采用U鉆體面和毛坯切削部分集的表面與表面的接觸（屬于運(yùn)動(dòng)接觸），還添加了自接觸（屬于通用接觸）。鉆頭采用C3D4T網(wǎng)格類型，毛坯采用C3D8RT網(wǎng)格類型，C3D8RT具有沙漏控制的減縮積分模型，在迭代的過程中易于收斂。采用局部細(xì)化的網(wǎng)格劃分思想，具體為鉆削區(qū)域網(wǎng)格要細(xì)小些、邊緣網(wǎng)格不參與鉆削的區(qū)域大一些，如圖4所示。約束的添加主軸速度2 000 r/min，換算成弧度制單位為209.3 rad/s，30 mm/min

等于0.5 mm/s，以0.5 mm/s的速度走了20個(gè)分折步用時(shí)間10 s，即走了5mm，實(shí)際加工時(shí)，U鉆完全穿過毛坯需要走6.25 mm行程[6-7]。

開始加工時(shí)，刀具向下運(yùn)動(dòng)接觸毛坯工件，鉆尖先與工件表面接觸并擠壓工件。然后鉆頭橫刃進(jìn)行整體擠壓，工件在鉆頭擠壓下發(fā)生彈性變形，出現(xiàn)應(yīng)力出現(xiàn)趨勢(shì)。隨著刀具繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，主切削刃與工件摩擦產(chǎn)生的熱使工件先發(fā)生彈性變形，工件晶粒被拉長(zhǎng)發(fā)生塑性變形。此時(shí)宏觀組織已經(jīng)發(fā)生變化，但是沒有產(chǎn)生切屑。刀具繼續(xù)向下，對(duì)工件產(chǎn)生擠壓和剪切作用，晶格發(fā)生變形，材料發(fā)生滑移，切屑形成。切屑呈梯形狀態(tài)，梯形單元疊加，切屑出現(xiàn)彎曲。新產(chǎn)生的切屑推著原來的切屑在棑屑槽里移動(dòng)，呈長(zhǎng)卷曲形態(tài)。

2 仿真結(jié)果分析

可換刀片U鉆的斷屑效果如圖5所示。改進(jìn)前，刀具應(yīng)力集中，淺色應(yīng)力超出第一個(gè)導(dǎo)向條，有400 MPa；改進(jìn)后的刀具淺色應(yīng)力沒有出現(xiàn)在第一個(gè)導(dǎo)向條處，第二個(gè)導(dǎo)向條處的深色應(yīng)力有920 MPa。很明顯改進(jìn)后的刀具應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象減少較明顯。改進(jìn)前，刀具斷屑槽溫度為685 ℃；改進(jìn)后，刀具在斷屑槽的分屑槽溫度為492 ℃。從梯度溫度的分層看，改進(jìn)后刀具的溫度還沒有擴(kuò)散開。

在實(shí)際鉆削仿真加工中，Vf為12 mm/min，Vc為150 m/min，fn為0.01 mm/r，ap為10 mm，Dc為40 mm，n為1 200 r/min，Kr為60°。改進(jìn)前，刀具最大切削速度為155 m/min，誤差為0.27%，如果仿真誤差在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為仿真模型是可信的。改進(jìn)后，刀具最大切削速度為153 m/min，誤差為0.19%，改進(jìn)后刀具的整體轉(zhuǎn)速有所降低。

增加分屑槽，使鐵屑先產(chǎn)生犁溝基本變形規(guī)律再斷屑，相當(dāng)于把整體大鐵屑分割成細(xì)小化的小鐵屑。基于這種設(shè)計(jì)思想，本文設(shè)計(jì)了有分屑槽的U鉆刀具的結(jié)構(gòu)模型。改進(jìn)后的刀具U鉆增加了二平折線分屑槽，從圖5的斷屑效果可以看出，改進(jìn)前鐵屑沒有發(fā)生斷屑，改進(jìn)后鐵屑有明顯斷屑出現(xiàn)，表明刀具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是有效果的。

影響鉆削變形的因素如下所示。1） 鉆削刃在鉆削平面上產(chǎn)生較大的彈塑性形變。2）中心刃和外刃剪切作用會(huì)使鉆削產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)鐵屑的彎矩，使鐵屑發(fā)生卷曲。3） 在完全分屑狀態(tài)下，切削刃刃尖使鐵屑產(chǎn)生強(qiáng)制的附加變形。4） 在鐵屑自由端，隨著鉆削進(jìn)行，鐵屑卷曲半徑增加，碰到孔壁和刀體時(shí)，出現(xiàn)二次反向彎曲。5） 變形產(chǎn)生的應(yīng)力超過毛坯材料本身的許用應(yīng)力時(shí)，斷削出現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文對(duì)U鉆的刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用AdvantEdge軟件建立了U鉆加工鈦合金的有限元模型，仿真得到優(yōu)化的U鉆刀具仿真云圖。研究了刀具改進(jìn)前、后斷屑仿真云圖，分析了加工過程中對(duì)應(yīng)力P和溫度T等分布規(guī)律的影響，以期為同類刀具斷屑槽、分屑槽斷屑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和改進(jìn)方向。所得結(jié)論如下所示。1） 改進(jìn)前，刀具應(yīng)力集中，淺色應(yīng)力超出第一個(gè)導(dǎo)向條，有400 MPa；改進(jìn)后，刀具淺色應(yīng)力沒有出現(xiàn)在第一個(gè)導(dǎo)向條處，第二個(gè)導(dǎo)向條處的深色應(yīng)力有920 MPa，很明顯改進(jìn)后的刀具應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象減少較明顯。2） 改進(jìn)前，刀具斷屑槽溫度為685 ℃；改進(jìn)后，刀具在斷屑槽的分屑槽溫度為492 ℃。從梯度溫度的分層看，改進(jìn)后刀具的溫度還沒有擴(kuò)散開。3） 改進(jìn)前，刀具最大進(jìn)給速度為155 m/min；改進(jìn)后，刀具最大進(jìn)給速度為153 m/min，改進(jìn)后刀具的整體轉(zhuǎn)速有所降低。4） 改進(jìn)前鐵屑沒有發(fā)生斷屑，改進(jìn)后鐵屑有明顯斷屑出現(xiàn)，可以驗(yàn)證刀具的結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有一定效果且可行。

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