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高速切削GCrl5切削力的仿真（zhēn）與實驗研究

2017-1-12 來源：鄭州科技（jì）學院（yuàn）機械工程學院作者：邱慧，班新星，紀蓮清（qīng），王明（míng）義

摘要（yào）：應用Deform．3D軟件建立刀具一工（gōng）件三維有限元模型，研究（jiū）了PCBN刀（dāo）具高速切削GCrl5淬硬鋼的切削機理，得出不同切削參數下切削力的變化規律，通過對模擬結果進行分析獲得了最優（yōu）切削（xuē）參數。在最優切（qiē）削（xuē）參數下進行切削實驗，結（jié）果發現：在切削深度和（hé）進（jìn）給（gěi）量不變的情況下，不同切削速度下的切削力模擬值與實驗值（zhí）變化趨勢是一致的，並且其誤差不超過10％，這表明利用Deform-3D有限元（yuán）軟件建立三維切削模型可以有效模擬PCBN刀具高速切（qiē）削GCrl5軸（zhóu）承鋼的切削過程。

關鍵詞：有限元（yuán）模擬；高速（sù）切削；超硬刀具（jù）；切削力

0.引言（yán）

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，簡稱PCBN)作（zuò）為超硬（yìng）刀具材料，具有良好的耐（nài）磨性和熱穩定性?，普遍應用於淬硬鋼、冷硬鑄鐵及其它高硬黑色金屬的（de）高速切削加工舊J，並且隨著數控機床等自動加工設備的廣泛（fàn）應用，使用PCBN刀具以硬（yìng）態切（qiē）削替代磨削工藝已成為加（jiā）工淬硬軸承鋼的新途徑。GCrl5是一種最（zuì）常用的高鉻軸承鋼，經過淬火加（jiā）回火（huǒ）後具有較高的硬度，其硬度可達HRC60—62，主要應用於製作各種軸承套圈和滾（gǔn）動體（tǐ），屬於難加工材料行列Ho。近年來，國內（nèi）外很多學者對PCBN刀具（jù）高（gāo）速（sù）切削GCrl5的過程進行了研究分析（xī）p剖，主要集中在PCBN刀具的磨損機理、刀具幾何參數、GCrl5表麵粗糙度、切屑形成機理、殘餘應力、表麵白層等方麵，而（ér）針對PCBN刀具高速切削GCrl5切削力（lì）的研究較少。文中通過（guò）使用有限元軟件Deform．3D，係統（tǒng）研究了PCBN刀具高速切削GCrl5時削參數對切削力的影響，得到了切削力隨切削參數（shù）的變化（huà）規律，並通過切削實驗進行驗證。

1.材料（liào）與模型

1．1刀具（jù）材（cái）料

在硬態車削加工中（zhōng），由於低含量CBN刀具（jù）比高含量（liàng）CBN刀具擁有較（jiào）高的抗衝擊性能和刀具耐用度一]，並且具有更好的加（jiā）工表麵質量，通常采（cǎi）用CBN含量較低（dī）的PCBN刀具（jù），其機械性能如下：彈性模量587GPa；密度4280kg／m3；泊鬆比0．15；比熱容750J／kg·℃；熱傳導（dǎo）係數（shù）44W／m·oC；熱膨脹係數4．7×10“／℃。本實驗所用的PCBN刀具幾何（hé）參數為刃傾角A，為0。，前角（jiǎo）7。為0。，後角僅。為6。，刃口鈍圓半徑（jìng）。為0．4mm。

1．2工件材料

高鉻軸承（chéng）鋼GCrl5具有高淬（cuì）透性，經熱處理後可獲得硬度為（wéi）62HRC，屬於典型的難加工（gōng）材料¨0l，其物（wù）理力學性能如下：楊氏模量217GPa；密度7850kg／m3；熔點1487℃；泊鬆比0．3；熱傳導係數39W／m·℃；熱膨脹係（xì）數（shù）14．4 X 10～／。C。

1．3材（cái）料（liào）的本構模型

目前，在應用計算機軟件進行模（mó）擬時，廣泛使用的本構模（mó）型是Johnson—Cook模型，它能夠很好的描述大部分金屬在大變形、高應變率和高溫條件下的材料本（běn）構行為，其表達式為（wéi）：

1．4材料的失效模型

Johnson—Cook模型以等效塑性應變作為材（cái）料的斷裂原則，提出以下材料失效模型：

2.切削模（mó）擬

2．1切（qiē）削模擬參數（shù）選擇

為0．05、0．10、0．15、0．20、0．25mm／r，切削深度口。為0．1、0．15、0．2、0．25、0．3mm。

2．2切削力模擬結果及（jí）分析

切削力是切削過（guò）程中重要的物理參數之一，它的大小（xiǎo）不僅影響加工工（gōng）藝（yì）係統，還影響著工件（jiàn）的加工質量（liàng）和加工精度¨6|。因此，研究加（jiā）工過（guò）程中切削參數對（duì）切削力的影響規律（lǜ），可以為高速切削加工中切削參數的選擇提供科學的理（lǐ）論依（yī）據（jù）。

在模（mó）擬過（guò）程中，切削力並非是穩定不變（biàn）的，而是（shì）在某一平衡值附近上下振（zhèn）蕩，這與實際（jì）切（qiē）削過程中切削力的變化是一致（zhì）的。造成（chéng）這種（zhǒng）現象的原因是，在實際切削中，隨著刀具剛接觸工件，材料會先產生彈性變形，接著工件材料內部的晶格進行滑移並發生塑性變形，此時切削力增大；隨著刀具的繼續前進，在切削（xuē）刃附近會出（chū）現應（yīng）力集中，當材料的金（jīn）屬剪應力超過強度極限時，切屑就被剝（bāo）離，此（cǐ）時切削力（lì）會相應隨之降低。此過程（chéng）周而複始，因次切削力曲線為一定範圍內的振動波，如圖l所（suǒ）示。將切削力以文（wén）本格式（shì）進（jìn）行輸出，然後求其均值即可得出模擬切削力大小。

2．2．1切削速（sù）度對切削力的影響（xiǎng）

進給（gěi）量．廠和切削深度n。分別為0．05mm／r、0．1rain，切削速度與切削力之間的關係如圖2所示（shì）。切削（xuē）速度從100m／min增（zēng）加到（dào）220m／min，進給分力F，和徑向抗力F：變化非常小，上（shàng）下（xià）浮（fú）動大約（yuē）在1N左右，而主切削力F。的變化相（xiàng）對較大，最大浮動（dòng）達到11N。當切削速度從100m／rain增加到180m／min時（shí），進給分（fèn）力F，和（hé）徑向抗力t隨著切削速度的增加而略有增加，但變化並不是很明顯，上下浮動不超過0．1N；主切削力F。隨著切削速度的增加而增大，增大幅度達到7．2N，這主要是因（yīn）為主切（qiē）削力F，垂直於基麵，與切削（xuē）速度的方向一致。當切削速度從180m／min增加到220m／min，進給分（fèn）力t和徑向抗力t隨著切削速度的增加而略有減小，主切削（xuē）力F，隨著切削速度（dù）的增加而降低．

2．2．2進給量對切削力的影響

切削速度穢和切削深度a。分（fèn）別為（wéi）150re／rain、0．1mm，進給量與切削力（lì）之間的關係如圖3所示。進給分力t、徑（jìng）向（xiàng）抗力t和主切削（xuē）力t都隨著進給量的增加而增加，切削合力也隨著進給量的增加而增加在刀具切削時，三個切削分力中主切削力F，是（shì）最大切削分力，對切削（xuē）合力起（qǐ）主導作用，進給量廠的改變引起最大變化的切（qiē）削分力是主切削（xuē）力，所以進（jìn）給量，的改變也使得切削合（hé）力發生巨大變化。當（dāng）進給量（liàng）從0．05mm／r增至0．25mm／r時（shí），切削合力從66．8N增大到191．1N。3

2．2．3切削深（shēn）度對切削力的影響

切削速度穢和進給量，分別為（wéi）150m／rain、0．1mm／r，切削深（shēn）度與切削力之間（jiān）的關係如圖4所示。切削深度％對切削力的影響最大，％每增加一倍，切削力也增大一倍。這是因為切削（xuē）深度a。增大，切削麵積A。成（chéng）正比增加，彈塑形變形總量及摩（mó）擦力增加（jiā），而（ér）單位切削力不變（biàn），因（yīn）而切削（xuē）力成正比增加。當切削深度從0．1mm增（zēng）加到0．3mm時，切削合力從（cóng）94．7N增加到283．5N，可見，在切削用量中，切削深度對切削（xuē）力的影響最大。

綜上所述（shù），從（cóng）模（mó）擬結果中可以看出，切（qiē）削深（shēn）度％對切削力的影響最大，進給量廠次之，切削速度移最小。切（qiē）削力隨著切削深度1／,。的成倍增（zēng）加而成正比（bǐ）增（zēng）加，這是因為切削深度a。增大，切削麵積（jī）A。成正比增加（jiā），摩擦力及彈塑形變形總量也（yě）相繼（jì）成正比增加；進給量廠對切削力的影響次之，切削麵積（jī）A。隨著進給量，增大也相應增加，但是其變形程度減小，致使單位切削力下降，因而切削力並不隨著，成倍增加而增加；切削速（sù）度（dù）口對切削力的影響最小，並且（qiě）在速度增加到一定程度時，切削力反而會相應減小，並趨於某一穩定值。為保證刀具的（de）耐用度及切削效率，加工GCrl5的工藝參數應選擇較高的切削速度、較小的切（qiē）削（xuē）深度和進（jìn）給量，推薦選取（qǔ）：切削速度為150m／rain，切削深度為0．1mm，進給量為（wéi）0．1mm／r。

3.切削（xuē）實（shí）驗

3．1實驗參數及設備

實驗（yàn）刀具：采用鄭州博特硬質材料有限公司生產的PCBN刀具，刀杆使用45。偏頭外圓（yuán）車刀刀杆CSSNR2525—150，刃傾（qīng）角A；為0。，前角^y。為00，後角％為60，刃I=l鈍圓半徑0為0．4mm。加工工件（jiàn）GCrl5軸承鋼。切削參數：切削速度（dù）"分別為100、150、200m／rain，進給量廠為0．1 mm／r，切削深度o，為0．1mm。實驗設備：車床采用CA6240；測力係統采用瑞士Kisfler9257B三向測（cè）力儀。

3．2實驗結（jié）果及分析

切削過程中使用測力裝置獲（huò）得電信號，經過電荷放大器放大，並對信（xìn）號進行數據收集，最（zuì）後（hòu）通過（guò）利用D”o Software軟件對信號進行分（fèn）析處理，從而得出切削力數值顯示在（zài）計算機上（shàng），如圖5所示，將切削力數值以文本格式輸出，取（qǔ）穩態部分求均值即可得到（dào）切削過程中切削力的大小。

圖6顯示了模擬過程同實驗過程中切削力的對比情況，從對比曲（qǔ）線中（zhōng）可以看出，切削力模擬值與（yǔ）實驗值的變化趨勢是一（yī）致的，切削速度（dù）從100m／min增（zēng）加到150m／min，切削力也相應的增加，當切削速度為200m／rain時，切削力有所下降，這符合（hé）高（gāo）速切削的變化規律。比較切削力模擬值和實驗值可知，實驗值比模擬值（zhí）要大，不（bú）過，模擬值與實驗值的誤差不超過10％，究其原因是由於刀具磨損增大導致刀具角度改變造成的。在實（shí）際切削過程中（zhōng），由於GCrl5中存在大（dà）量的硬質顆粒，刀具磨（mó）損較大，使得刀具一切屑（xiè）接觸麵積減少，加（jiā）劇刀具的磨損，使刀具角度在較短切削時間內發生了很大改變，刀具變鈍，刀具前角增大，造成切削（xuē）過程中切削力的增大。

4.結論

通過（guò）對PCBN高速車削GCrl5過程進行模擬，得到了切削參數對切削力的影響規律和最佳（jiā）切削參數，同（tóng）時在最佳切削參數下進（jìn）行切削實驗，得到以下（xià）結論：

(1)應用Deform軟件建立三維（wéi）有限元模型（xíng）並對切削（xuē）過程進行仿（fǎng）真，得出（chū）切削（xuē）參數對切削力的（de）影響規律，發現切削力隨著切削速度、切削深度和（hé）進給量的增加總體上呈上升趨勢。

(2)通過對模擬結果分析獲得了PCBN刀具高速切削GCrl5最佳切削（xuē）參數（shù）：切削速度為150m／min，切削深度為0．1mln，進給量（liàng）為0．1mln／r。

(3)切削（xuē）實驗表明，在切削深度和進給量不變的情（qíng）況下，不同切削速度下的切削力模擬值與實驗值（zhí）變化（huà）趨勢是一致的，並且其誤差不超過10％，進一步驗證了使用Deform軟件建立有限元模型並對切削過程進行仿真可以準確模擬C,Crl5軸承鋼的切削加工過程。

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