溫得英
(青海大學機械工程學院,青海西寧 810016)
高速切削是先進制造業的主要技術之一,它不僅可獲得更高的生產率,而且還可獲得很高的加工質量,并可降低生產成本。高速切削技術可以解決傳統切削加工過程低效、低質量、高耗能等問題。與傳統的切削加工相比,高速切削不僅提高切削速度,而且降低切削力,延長刀具壽命,降低低階切削振動和工件表面的切削熱。它是以提高切削速度、單位時間內材料去除率和改善加工質量為目的的先進制造技術[1]。高速切削逐漸成為當前切削技術的重要發展方向,也必將成為切削加工領域的主流切削技術[2-6]。
高速切削加工時,切削力是重要參數之一,它不僅影響工件表面的加工質量,而且還影響刀具的使用壽命。通過有限元仿真,分析高速切削過程中如何最大程度減小切削力,獲得更高的加工質量。近年來,用有限元仿真分析高速切削機理的研究雖然較多,但有一些局限性,復雜的高速切削過程不能完全反映出來,需要進一步完善[7]。利用有限元軟件對45#鋼進行高速切削模擬仿真分析,為中碳鋼在高速切削技術中的應用奠定一定的技術基礎。
切削力,是指在切削過程中產生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的作用力。影響切削力的主要因素包括:設備自身功率、工件材料、刀具種類和參數以及切削時的潤滑條件等。在仿真實驗中,為了方便地測量切削力,合力F可以分解為如圖1所示的3個垂直的分力(以車削外圓為例)。①切削力(主切削力)Fx:在主運動方向上的分力。它是校驗和設計機床主要機構的重要依據,通常用來確定機床功率、檢驗刀具的強度和剛性等。②背向力(切深抗力)Fy:是影響工件表面加工質量的重要因素。③進給力(進給抗力)Fz:是平行于進給運動方向上的分力,主要用于機床進給機構的強度校核。由圖1可得在通常的切削加工中,主切削力相對較大,背向力和進給力相對較小。但有時也因刀具和工件材料、切削用量以及刀具幾何參數等的變化,這3個分力的比例變化范圍較大。
圖1 切削合力和分力
通過DEFORM 3D模塊,建立45#鋼高速切削時切削刀具和被加工工件的三維模型。被加工工件直徑50 mm,為減少計算量,選取其中部分30弧度作為切削對象,高速切削刀具選取DEFORRM 3D自帶刀具庫中一刀具,工件材料為45#鋼,刀具為硬質合金WC刀具。仿真開始時,環境溫度、刀具溫度和工件溫度都設為20℃。其中部分參數設置過程見圖2。完成所有條件設置后生產完整的高速切削三維模型,如圖3a所示。建立有限元仿真模型時,首先要進行合理的網格劃分。網格劃分的合理性直接影響仿真計算精度,理論經驗表明,網格劃分太大,計算結果誤差太大或求解無效,網格劃分太小會增加求解時間及占用大量磁盤空間。圖3b所示為劃分網格后的高速切削三維模型。
圖2 建模過程主要步驟
圖3 高速切削三維模型
對建立的45#鋼高速切削三維進行仿真模擬,并借助高速切削理論對仿真結果進行分析研究。
(1)查閱文獻得知鋼材高速切削“薩洛蒙曲線”死谷區大概在(300~600)m/min范圍內,因此初步取切削速度240 m/min,300 m/min,360 m/min,420 m/min,480 m/min,540 m/min,600 m/min及660 m/min作為研究對象,對其進行仿真分析計算。切削力F隨時間的動態變化曲線如圖4所示。
圖4 切削力F隨時間的動態變化曲線
(2)分別將切削速度(240~660)m/min時的切削力取平均值(表1),再通過Matlab作出折線圖(圖5)。
表1 不同切削速度下平均切削力的值
圖5 不同切削速度下切削力的變化規律
由圖表可知,在切削速度(240~660)m/min不斷增加的情況下,切削力平均值呈先逐漸上升到最高值,然后又從最高值逐漸下降的趨勢。
分析研究得出結果,高速切削45#鋼時,切削速度較低時,隨著切削速度的提高切削力增大,當切削速度增大到一定值時,切削力會隨著切削速度的升高而減小,符合薩洛蒙死谷理論,當切削速度越過死谷后切削力反而降低,是因為切削速度提高時,剪切角增大,切削變形減小,切削力降低;另一方面是切削過程產生的切削熱被切屑快速帶走,切削熱的軟化作用降低,所以切削力降低且降低幅度越來越小,最后趨于不變。由此可以判定試驗取值范圍正確,可以繼續進行下一步仿真分析。