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刀具幾何參數對鋁合金車削性能的影（yǐng）響

2019-11-5 來源：貴州大學機械工程學院國家（jiā）精密微特（tè）電作者：張蓉蓉（róng）李長虹趙（zhào）先鋒（fēng）李榮隆

摘要（yào）：根據刀具的主要幾何參數設計了單因素（sù）實驗（yàn），在（zài） Deform-3D 中建立了鋁合金 7075 的車（chē）削有限元模型，對車削過程進行仿真，通過數據處（chù）理，得出前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑對切削力（lì）和切（qiē）削溫度的影響，結果表明：切削力隨前角的增大而減小，隨刀尖圓弧半徑的增大（dà）而增大，主偏角和刃傾角對各方向上的力影響不同；切削溫度隨前角、刃傾角的增大而上升，隨刀尖圓弧半徑的增大而下降。

關鍵詞：切削力；切削溫（wēn）度；Deform-3D；刀具；幾何參數

切削加工中，切削力和切削溫度對刀具耐用度、工件（jiàn）加工（gōng）精度、已加工表麵質量、加工穩定性等諸多現（xiàn）象都（dōu）有很大影響。刀具幾何參數是（shì）影響切削力和切（qiē）削溫度的重要因素，刀具幾何參數的（de）合理（lǐ）選用對保證零件加工（gōng）質量、提高生產率、延長刀具與設備（bèi）的（de）使用壽（shòu）命（mìng）、降（jiàng）低加工成本等方麵有著非（fēi）常重（chóng）要的現實（shí）意義。

有限元（yuán）仿真技術日趨成熟，在切削加工研究方麵，尤其是在刀具幾何角度這種實驗成本高的研（yán）究方麵發揮了重大作用，大量事實證明利用有限元仿（fǎng）真得出的結果可靠（kào）性高，對現實生產有重要的參考價值。

高強度鍛壓鋁（lǚ）合（hé）金（jīn） 7075 是一（yī）種硬度高、密（mì）度小、耐腐蝕、易加工的材料，在航空（kōng）航天、機械設備、工（gōng）裝夾具等強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構體中得到（dào）廣泛應用。在 UG 中建立刀具的三維模型，設計單因素實驗方案，在有限元分析軟件 Deform-3D 中建立車削模型，對硬（yìng）質（zhì）合金刀具車削加工 7075 鋁合金工程（chéng）進行仿真（zhēn），研究了刀具幾何參數對（duì）其切削力和切削溫度的影響，為 7075 鋁（lǚ）合金切削工藝（yì）參數的（de）優化提供理論依據。

1 、單（dān）因素實驗設（shè）計

車刀的主要（yào）幾何參數主要包括前角、後角、主偏角、副偏角（jiǎo）、刃傾角和刀（dāo）尖圓弧半徑，這些參數各（gè）自有不同的功能及選用原則，並且它還相互聯係相互（hù）影響。

本文考慮影響車削力和車削溫度的主要幾何參數，以前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑為研究對象，各（gè）參數（shù）選取水平（píng）如表 1 所示。

表（biǎo） 1 刀具幾何參數水平表

增大後角可以（yǐ）減小刀具（jù）後刀麵與工件（jiàn）之（zhī）間的摩擦，提高已加工表（biǎo）麵質量，由於大部（bù）分實驗選取了 15°前角，若是選擇（zé）過（guò）大的後（hòu）角（jiǎo），就會使刀具楔角顯著減小，削弱切削刃強（qiáng）度，減小刀頭散熱（rè）體積，影響刀具壽命，參照山特維克車削鋁（lǚ）合金（jīn）專用車刀片（piàn），選取後（hòu）角為 7°，刀尖（jiān）角選取為 55°。具體實驗安排如表 2 所示。

表 2 實驗切（qiē）削力和切削溫度

2 、車削（xuē）仿真模型

2.1 車削仿真模型的建立

參照山特維（wéi）克刀（dāo）片 DCGX11T304-Al，在UG 中（zhōng）建立各刀片的三維模型（xíng），以.stl 格（gé）式導出；在Deform-3D 中建立（lì）車削模擬模型，刀具材料選用 WC，以相對方式劃分網格，並在刀（dāo）尖處細（xì）化網格；工件模型為塑性，直徑 50 mm，彎（wān）曲角度 20°，以絕（jué）對方式劃分網格，最小單元格尺寸為進給量（liàng）的 30%，在（zài）工件與刀（dāo）尖接觸處的區域細（xì）化網格，設置細化網格窗口（kǒu）隨刀具移（yí）動。

2.2 仿真（zhēn）結果（guǒ）的提取

仿真完成後，進（jìn）入後處理窗口，提取切削力和切削溫度。在 Deform-3D 中，主切（qiē）削力為Fy，進（jìn）給抗力為 Fx，切深（shēn）抗力為 Fz。將切（qiē）削力導出，在數據處理軟件 origin 中對曲線做平滑處（chù）理，取（qǔ）達到穩態時的切削力作為最終切削力。隨（suí）著切削（xuē）的進行，切削溫度隨塑性變形和摩擦的不斷積累而不斷升高，最高溫度出現在前刀（dāo）麵（miàn）距刀尖一定距離處，高溫加劇了刀具的粘結磨損、擴（kuò）散磨（mó）損和氧化磨損，容易生成（chéng）月牙窪。取每組仿真實驗刀尖處的最高溫度，如表 2。

3 、刀具幾何參數對切削力的影（yǐng）響

切削力主要來源於工件被切削部分發生彈性和塑性（xìng）變形（xíng）時的（de）抗力、刀具與切屑之間及刀具與工件表麵之間的摩擦作用。將切削力分解為三（sān）個相互垂直方向（xiàng）的分力，它（tā）們各自有不同的作用：主切削（xuē）力 Fy是計算刀具強度，確定機床功率的主要依據；進給抗力 Fx是設計進給機構，確定車（chē）刀進給功率的依據；切深抗力 Fz不消耗機床功率，當機床或工藝係統剛度不足時，易引起（qǐ）工件變形或造成震動。為直觀（guān）觀察各（gè）幾何（hé）參數對切（qiē）削力的影（yǐng）響（xiǎng），將數（shù）據畫成折線圖。

3.1 前角對切削（xuē）力的影響

如圖 1 所示，主切削（xuē）力 Fy和進給抗力 Fx均隨前角的增（zēng）大而減小，且 Fx的降低幅度更明顯，切深抗力 Fz在前角不斷增大的（de）情況下保持平穩。這（zhè）是由於隨著前角的增大，工件被切削部分塑性變（biàn）形減小，變（biàn）形係（xì）數減小，沿前刀麵的摩擦力隨之減小，因此產生的切（qiē）削力減小。

圖 1 前角對切削力（lì）的影響

3.2 主偏（piān）角對切削力（lì）的影響

如圖 2 所示，切深抗力 Fz在（zài）主（zhǔ）偏角不斷增大的情況下緩慢減小；主偏角由 62.5°增加到75°，主切削力 Fy增大，進給抗力 Fx減小緩慢；隨後（hòu）隨著主偏（piān）角（jiǎo）的（de）增大，主切削力 Fy減小，進給抗（kàng）力 Fx緩慢增大（dà）。這是由於主偏角較小時，刀尖圓弧所占的切削工作比例增大，使切屑變

圖 2 主偏角對切削力（lì）的影響

3.3 刃傾（qīng）角對（duì）切削力（lì）的影響

如圖 3 所示，刃（rèn）傾角由 0°增大到 5°，主切（qiē）削力 Fy增大，在由 5°增大到 10°時，Fy變化很小；進給抗力 Fx隨（suí）著刃傾角的增大而增大，切深抗力 Fz隨著刃（rèn）傾角的增大而（ér）減小（xiǎo）；從切削力角度分析，切削時選用大的刃傾角可以有效降低切深抗力 Fz，從而降低振動，提高已加工表（biǎo）麵質量（liàng）。

圖 3 刃傾角（jiǎo）對切削力的影響

3.4 刀尖圓弧半徑（jìng）對切削力的（de）影（yǐng）響

刀尖圓弧（hú）半徑的大小會影響切削刃的圓弧部分長度和各點主（zhǔ）偏角（jiǎo）。如圖 4 所示，隨著刀尖圓弧半徑（jìng）的增大，主切削力 Fy和切深抗力 Fz增大，進給抗力 Fx降（jiàng）低。這是由於刀尖圓弧半徑（jìng）增大使切削刃曲線部分的長度增大，各點（diǎn）的主偏角減小，切削寬度增大，切削厚度減薄，使（shǐ）切削變形增加，導（dǎo）致主切削力 Fy和切深抗力Fz增大。

4 、刀具幾何參（cān）數對切削溫（wēn）度的影響

切削加工時，若切削熱沒有及時傳導出去，就會影響刀具的使用壽命，還（hái）會影（yǐng）響工件的加工精（jīng）度和表麵質（zhì）量，甚至引起機床熱變形（xíng），造成經濟（jì）損失。影響（xiǎng）切（qiē）削熱與切削溫度的因素很多，這裏分析車（chē）刀幾何角度（dù）對其產生的影響。

圖 4 刀尖圓弧半徑對切（qiē）削力的影響

4.1 前角（jiǎo）對切削力的影響

如圖 5 所示，切削溫度隨前角增大而升高。這是因為前角（jiǎo）使刀具與切屑的接觸麵積減小，通過切屑帶（dài）走的熱量大大（dà）減少，同時，前角的增大（dà）使（shǐ）刀具（jù）楔角減小，導致刀頭散熱體積減小，散熱條（tiáo）件（jiàn）變差使切削溫度上升。

圖 5 前（qián）角對切削溫度的影響（xiǎng）

4.2 主偏角對（duì）切削力的影響

如圖 6 所示，主偏（piān）角由 62.5°變化為 75°時，切削溫度上升。這（zhè）是由於（yú）主偏角增大，切削寬（kuān）度減小，散熱減小；當主偏角繼續增大時，切削溫（wēn）度降低，這是由於切（qiē）削寬度減小，切削（xuē）厚度增大，切削變形和摩擦減輕，切削力（lì）減小，結合圖 2 可以看出，在（zài）主偏角（jiǎo）的這一變（biàn）化階段，主切削力也減小，所以切削溫度隨之下（xià）降。

4.3 刃傾角對切削溫度的影響

如圖 7 所示，主偏角由 0°變化（huà）為 7°時，切削溫度上升。這是由於刃傾角增大刀頭散熱體積減小；當刃（rèn）傾角繼續（xù）增大時，切削溫度下降，這是由於刃傾角增大為 10°時刀具（jù）的鋒利程度明顯變大，切削變得輕快，切削力減（jiǎn）小，切削溫度隨之下降（jiàng）。

圖 6 主偏角對切削溫度的影響

圖 7 刃傾角（jiǎo）對（duì）切削溫度的影響

4.4 刀（dāo）尖圓弧半（bàn）徑對切削力的影響

如圖 8 所示，切（qiē）削溫度隨著刀（dāo）尖圓弧半徑的增（zēng）大（dà）而下降。這是由於刀尖圓弧（hú）半徑的增大使（shǐ）得刀尖部分導熱麵積和容熱體積增大，大大改善了散熱條件，所以切削溫度會有所下降。

圖 8 刀尖圓弧半徑對切（qiē）削溫度的影響

5 、結（jié）論

（1）選取前角、主（zhǔ）偏角、刃傾角、刀尖圓弧（hú）半徑為研究對（duì）象，設計了單因素（sù）實驗方案，在 Deform-3D 中建立車削模型對（duì）切削過程進行仿真，得到三（sān）個（gè）方向上的切削力和切（qiē）削溫度。

（2）切削力隨前角的增大而（ér）降低，隨刀尖（jiān）圓弧半徑的增大而增大；隨著主偏角（jiǎo）的增大，切深抗力 Fz緩慢減小；主切削力 Fy先增大後減小，進給抗力 Fx先減小後增大；隨著刃傾角（jiǎo）的增（zēng）大，主切削力 Fy先增大後趨（qū）於平穩，進（jìn）給抗力 F增大，切深抗（kàng）力 Fz減小；從減小切削力和保（bǎo）證（zhèng）加工（gōng）平穩性考慮，刀具的最佳組合為：前角 15°、主偏角 93°、刃傾角（jiǎo） 7°、刀尖圓弧半徑0.2～0.4 mm。

（3）切削溫度隨前角、刃傾角的增大而上升，隨刀尖圓弧半徑的增大而下降（jiàng），隨主偏角的增大（dà）而（ér）先增（zēng）大後減小。切（qiē）削加工時，應綜合（hé）考慮切削用（yòng）量、加工（gōng）質量、生產效率等方麵，合理選用刀具幾何參數（shù）。

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