高速切削GCrl5切削力的仿真与实验研究
2017-1-12 来源：郑州科技学院机械工程学院 作者：邱慧，班新星，纪莲清，王明义
摘要：应用Deform．3D软件建立刀具一工件三维有限元模型，研究了PCBN刀具高速切削GCrl5淬硬钢的切削机理，得出不同切削参数下切削力的变化规律，通过对模拟结果进行分析获得了最优切削参数。在最优切削参数下进行切削实验，结果发现：在切削深度和进给量不变的情况下，不同切削速度下的切削力模拟值与实验值变化趋势是一致的，并且其误差不超过10％，这表明利用Deform-3D有限元软件建立三维切削模型可以有效模拟PCBN刀具高速切削GCrl5轴承钢的切削过程。
关键词：有限元模拟；高速切削；超硬刀具；切削力
0.引言
聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，简称PCBN)作为超硬刀具材料，具有良好的耐磨性和热稳定性?，普遍应用于淬硬钢、冷硬铸铁及其它高硬黑色金属的高速切削加工旧J，并且随着数控机床等自动加工设备的广泛应用，使用PCBN刀具以硬态切削替代磨削工艺已成为加工淬硬轴承钢的新途径。GCrl5是一种最常用的高铬轴承钢，经过淬火加回火后具有较高的硬度，其硬度可达HRC60—62，主要应用于制作各种轴承套圈和滚动体，属于难加工材料行列Ho。近年来，国内外很多学者对PCBN刀具高速切削GCrl5的过程进行了研究分析p剖，主要集中在PCBN刀具的磨损机理、刀具几何参数、GCrl5表面粗糙度、切屑形成机理、残余应力、表面白层等方面，而针对PCBN刀具高速切削GCrl5切削力的研究较少。文中通过使用有限元软件Deform．3D，系统研究了PCBN刀具高速切削GCrl5时削参数对切削力的影响，得到了切削力随切削参数的变化规律，并通过切削实验进行验证。
1.材料与模型
1．1刀具材料
在硬态车削加工中，由于低含量CBN刀具比高含量CBN刀具拥有较高的抗冲击性能和刀具耐用度一]，并且具有更好的加工表面质量，通常采用CBN含量较低的PCBN刀具，其机械性能如下：弹性模量587GPa；密度4280kg／m3；泊松比0．15；比热容750J／kg·℃；热传导系数44W／m·oC；热膨胀系数4．7×10“／℃。本实验所用的PCBN刀具几何参数为刃倾角A，为0。，前角7。为0。，后角仅。为6。，刃口钝圆半径。为0．4mm。
1．2工件材料
高铬轴承钢GCrl5具有高淬透性，经热处理后可获得硬度为62HRC，属于典型的难加工材料¨0l，其物理力学性能如下：杨氏模量217GPa；密度7850kg／m3；熔点1487℃；泊松比0．3；热传导系数39W／m·℃；热膨胀系数14．4 X 10～／。C。
1．3材料的本构模型
目前，在应用计算机软件进行模拟时，广泛使用的本构模型是Johnson—Cook模型，它能够很好的描述大部分金属在大变形、高应变率和高温条件下的材料本构行为，其表达式为：
1．4材料的失效模型
Johnson—Cook模型以等效塑性应变作为材料的断裂原则，提出以下材料失效模型：
2.切削模拟
2．1切削模拟参数选择
为0．05、0．10、0．15、0．20、0．25mm／r，切削深度口。为0．1、0．15、0．2、0．25、0．3mm。
2．2切削力模拟结果及分析
切削力是切削过程中重要的物理参数之一，它的大小不仅影响加工工艺系统，还影响着工件的加工质量和加工精度¨6|。因此，研究加工过程中切削参数对切削力的影响规律，可以为高速切削加工中切削参数的选择提供科学的理论依据。
在模拟过程中，切削力并非是稳定不变的，而是在某一平衡值附近上下振荡，这与实际切削过程中切削力的变化是一致的。造成这种现象的原因是，在实际切削中，随着刀具刚接触工件，材料会先产生弹性变形，接着工件材料内部的晶格进行滑移并发生塑性变形，此时切削力增大；随着刀具的继续前进，在切削刃附近会出现应力集中，当材料的金属剪应力超过强度极限时，切屑就被剥离，此时切削力会相应随之降低。此过程周而复始，因次切削力曲线为一定范围内的振动波，如图l所示。将切削力以文本格式进行输出，然后求其均值即可得出模拟切削力大小。
2．2．1切削速度对切削力的影响
进给量．厂和切削深度n。分别为0．05mm／r、0．1rain，切削速度与切削力之间的关系如图2所示。切削速度从100m／min增加到220m／min，进给分力F，和径向抗力F：变化非常小，上下浮动大约在1N左右，而主切削力F。的变化相对较大，最大浮动达到11N。当切削速度从100m／rain增加到180m／min时，进给分力F，和径向抗力t随着切削速度的增加而略有增加，但变化并不是很明显，上下浮动不超过0．1N；主切削力F。随着切削速度的增加而增大，增大幅度达到7．2N，这主要是因为主切削力F，垂直于基面，与切削速度的方向一致。当切削速度从180m／min增加到220m／min，进给分力t和径向抗力t随着切削速度的增加而略有减小，主切削力F，随着切削速度的增加而降低．
2．2．2进给量对切削力的影响
切削速度秽和切削深度a。分别为150re／rain、0．1mm，进给量与切削力之间的关系如图3所示。进给分力t、径向抗力t和主切削力t都随着进给量的增加而增加，切削合力也随着进给量的增加而增加在刀具切削时，三个切削分力中主切削力F，是最大切削分力，对切削合力起主导作用，进给量厂的改变引起最大变化的切削分力是主切削力，所以进给量，的改变也使得切削合力发生巨大变化。当进给量从0．05mm／r增至0．25mm／r时，切削合力从66．8N增大到191．1N。3
2．2．3切削深度对切削力的影响
切削速度秽和进给量，分别为150m／rain、0．1mm／r，切削深度与切削力之间的关系如图4所示。切削深度％对切削力的影响最大，％每增加一倍，切削力也增大一倍。这是因为切削深度a。增大，切削面积A。成正比增加，弹塑形变形总量及摩擦力增加，而单位切削力不变，因而切削力成正比增加。当切削深度从0．1mm增加到0．3mm时，切削合力从94．7N增加到283．5N，可见，在切削用量中，切削深度对切削力的影响最大。
综上所述，从模拟结果中可以看出，切削深度％对切削力的影响最大，进给量厂次之，切削速度移最小。切削力随着切削深度1／,。的成倍增加而成正比增加，这是因为切削深度a。增大，切削面积A。成正比增加，摩擦力及弹塑形变形总量也相继成正比增加；进给量厂对切削力的影响次之，切削面积A。随着进给量，增大也相应增加，但是其变形程度减小，致使单位切削力下降，因而切削力并不随着，成倍增加而增加；切削速度口对切削力的影响最小，并且在速度增加到一定程度时，切削力反而会相应减小，并趋于某一稳定值。为保证刀具的耐用度及切削效率，加工GCrl5的工艺参数应选择较高的切削速度、较小的切削深度和进给量，推荐选取：切削速度为150m／rain，切削深度为0．1mm，进给量为0．1mm／r。
3.切削实验
3．1实验参数及设备
实验刀具：采用郑州博特硬质材料有限公司生产的PCBN刀具，刀杆使用45。偏头外圆车刀刀杆CSSNR2525—150，刃倾角A；为0。，前角^y。为00，后角％为60，刃I=l钝圆半径0为0．4mm。加工工件GCrl5轴承钢。切削参数：切削速度"分别为100、150、200m／rain，进给量厂为0．1 mm／r，切削深度o，为0．1mm。实验设备：车床采用CA6240；测力系统采用瑞士Kisfler9257B三向测力仪。
3．2实验结果及分析
切削过程中使用测力装置获得电信号，经过电荷放大器放大，并对信号进行数据收集，最后通过利用D”o Software软件对信号进行分析处理，从而得出切削力数值显示在计算机上，如图5所示，将切削力数值以文本格式输出，取稳态部分求均值即可得到切削过程中切削力的大小。
图6显示了模拟过程同实验过程中切削力的对比情况，从对比曲线中可以看出，切削力模拟值与实验值的变化趋势是一致的，切削速度从100m／min增加到150m／min，切削力也相应的增加，当切削速度为200m／rain时，切削力有所下降，这符合高速切削的变化规律。比较切削力模拟值和实验值可知，实验值比模拟值要大，不过，模拟值与实验值的误差不超过10％，究其原因是由于刀具磨损增大导致刀具角度改变造成的。在实际切削过程中，由于GCrl5中存在大量的硬质颗粒，刀具磨损较大，使得刀具一切屑接触面积减少，加剧刀具的磨损，使刀具角度在较短切削时间内发生了很大改变，刀具变钝，刀具前角增大，造成切削过程中切削力的增大。
4.结论
通过对PCBN高速车削GCrl5过程进行模拟，得到了切削参数对切削力的影响规律和最佳切削参数，同时在最佳切削参数下进行切削实验，得到以下结论：
(1)应用Deform软件建立三维有限元模型并对切削过程进行仿真，得出切削参数对切削力的影响规律，发现切削力随着切削速度、切削深度和进给量的增加总体上呈上升趋势。
(2)通过对模拟结果分析获得了PCBN刀具高速切削GCrl5最佳切削参数：切削速度为150m／min，切削深度为0．1mln，进给量为0．1mln／r。
(3)切削实验表明，在切削深度和进给量不变的情况下，不同切削速度下的切削力模拟值与实验值变化趋势是一致的，并且其误差不超过10％，进一步验证了使用Deform软件建立有限元模型并对切削过程进行仿真可以准确模拟C,Crl5轴承钢的切削加工过程。
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