銑削溫度對銑削前后刀面磨損帶溫度分布的影響規律仿真

高曉芳

山西機電職業技術學院

1 引言

高速銑削工藝的普及有效提高了生產效率加工質量，降低了銑削加工成本，因此廣泛應用于多個行業中。然而，高速銑削工藝也直接導致銑刀表面溫度升高，影響加工表面質量。

切削溫度和刀具磨損相互制約和影響。切削初期溫度較低，磨損形式以機械磨損為主；隨著切削的進行，溫度逐漸升高，總磨損中熱磨損的比重越來越大；當切削參數等因素未達到臨界條件時，切削溫度仍將繼續升高，受材料特性的影響，工件和刀具的表面溫度也會進一步增加[1]。本文針對銑削溫度上升對銑前后刀面磨損帶溫度分布產生的影響進行分析，所得的銑削溫度試驗仿真結果可為銑削加工提供理論與試驗參考。

2 銑削前后刀面磨損帶溫度分布規律的仿真

由于銑削加工時需要消耗大量能量，現場試驗環境中的無關變量較多且不易控制，因此，選擇仿真模擬試驗對銑削前后刀面磨損帶溫度分布規律進行研究，得出更加精準的數值仿真結果。研究目的是分析銑削溫度上升對銑削前后刀面磨損帶溫度分布規律的影響，具體試驗過程是模擬銑刀的銑削過程，在不同的銑削溫度下采集銑刀前后刀面磨損帶不同位置的溫度，得出銑削溫度升高時刀面磨損帶溫度分布規律變化情況。

2.1 配置數值仿真試驗環境

選擇ABAQUS/CAE有限元軟件作為仿真試驗環境，將生成的仿真銑刀試件導入其中作為研究主體。搭建溫度場模型，確保銑刀試件的溫度測量數據能夠以可視化形式輸出，并用不同顏色表示不同溫度值。此外，需要在試驗環境內部嵌入機床運行程序，實現對銑削加工程序的驅動與模擬。

2.2 生成仿真銑刀試件

為了準確地建立銑刀試件，根據實際銑刀結構得到其截面輪廓，即螺旋面的母線，利用三維建模軟件生成銑削前后的刀盤。選用GM-4E-D6.0四刃直柄平頭銑刀，刀刃數為4，涂層硬度達3600HV，氧化溫度約為1100℃，可滿足高強度、高硬度材料的加工要求。

利用三維形貌測量軟件對銑刀端面輪廓數據進行測量。通過“插入”命令將節數據導入AutoCAD軟件。通過“折線”命令沿著所獲得的軌跡畫出端銑刀的端面輪廓曲線，利用“折線編輯”命令擬合出端面輪廓曲線，從而建立足夠精確的二維端銑刀輪廓曲線。在此基礎上建立銑刀的刃口線，即圓柱螺旋線。螺旋角是制造圓柱螺旋線的關鍵，使用Pro/E軟件建立螺旋界面，輸入螺旋參數方程，即

(1)

式中，a為常數系數；φ為螺旋軸轉角；p為銑刀的螺旋參數。

采用螺旋掃描指令對面銑刀的復雜曲面進行建模。銑刀的成形加工是由兩個方向上的刀桿運動組成：一是自身旋轉，形成工具軸和桿軸之間的夾角[2]；二是沿自身軸線進給，同時保持一定的進給速度。建立銑刀模型，基于旋轉特性模擬砂輪的拔刀過程，從而得到銑刀模擬試件的生成結果，圖1為銑刀仿真試件及銑削刀片結構。

(a)銑刀仿真試件

由于溫度分布數據會受到刀具與切屑之間接觸表面的摩擦性能影響，因此，在研究銑削過程中溫度場的分布時，需要根據銑刀試件的組成材料構建相應的本構方程為

(2)

式中，σJC為仿真試件的屈服應力值；α，b，G和L分別對應材料系數、Burgers矢量、材料剪切模量和長度；υ為剪切長度。

在生成的銑刀仿真試件上添加材料系數，最終輸出的結構即為銑刀仿真試件的最終結果。

2.3 測定銑削加工前的磨損帶溫度場分布

通過對銑削參數的調節，將銑削溫度的初始溫度控制為100℃，在銑削過程中，利用仿真環境中的插件控制銑削力恒定為150N。在銑削前后，分別在刀面的磨損帶位置上設置多個溫度測點，將其標記為Fr1～Fr9和Af1～Af 9，其中，Fri為銑削加工前的刀面測點，Afi為銑削加工后的刀面測點。

在銑削加工開始前，銑刀處于無工作狀態，此時刀具溫度應與外部環境溫度相同。采用夾絲—熱電偶技術測量銑削前后刀面磨損帶的初始溫度[3]。用鋸床將工件分為兩段，銑削不平整表面，用標準熱電偶的一根鎳鉻絲夾在工件中間，熱電偶絲與工件、工件與機床采用有良好絕緣性且在厚度方向具有較好導熱性的云母片，連接熱電偶絲與工件，提高機床的溫度絕緣特性，并將其轉換為刀—工之間的界面溫度。在配置的仿真試驗環境中，將輸出的數值模擬結果以圖像形式輸出，并根據溫度測定結果對圖像像素點進行標記，從而得出測定銑削加工前的磨損帶溫度場分布規律的可視化模擬結果。

2.4 模擬銑削加工工藝

利用仿真銑刀試件與機床工作模式相結合，通過輸入切削深度、主軸轉速及進給速度等銑削參數，實現銑削過程模擬，從而實現對銑削溫度的控制[4]。銑刀斷續切削過程中，刀具主軸旋轉一周，裝夾在刀盤上的圓銑刀片會重復切割動作，具體銑削工藝原理見圖2。

圖2中，nr，fz分別為輸入的主軸轉速和每齒進給量，R和θ為刀盤半徑和每齒切削弧度。銑削加工過程中，銑刀刀面熱量主要來源于切削熱，并在前后刀面產生三個磨損變形帶。第一類為第Ⅰ磨損變形區，在剪切面上產生塑性變形，這種熱能造成高溫，從而使工件材料軟化。在熱變形耦合過程中，工件在熱變形中相互耦合；第Ⅱ磨損帶通過切屑變形、黏結以及切屑之間的滑動摩擦產生熱量[5]。由于第Ⅲ磨損區受切削條件影響較小，試驗中銑刀側面未磨損，可以忽略處理，因此僅考慮銑刀刀面上的第Ⅰ磨損帶和第Ⅱ磨損帶對銑刀刀面瞬態溫度場的影響。圖3為兩種主要熱源和熱量分配情況。

圖2 銑削工藝加工原理

圖3 銑刀表面熱源與熱量分配

結合圖3表示的熱源分配情況，計算磨損帶的熱強度值，即

qI=τABCD-maxVsh

(3)

式中，τABCD-max和Vsh分別表示剪切面ABCD達到極限的剪切應力值及熱源運動速度。

τABCD-max的量化計算公式為

(4)

式中，B為應變硬化模量；εABCD-P為磨損帶的有效塑性應變；T，Tr和Tm分別為當前溫度、參考溫度和熔化溫度；n和m分別為應變硬化指數和熱軟化指數。

考慮第Ⅰ變形區熱源和第Ⅱ變形區熱源對銑削刀面瞬態溫度場的綜合影響，可計算沿水平方向任意點的溫度值為

Trake(x′，0，0)=ΔTrake-Ⅰ(x，0，z)
+ΔTrake-Ⅱ(x′，0，0)+T0

(5)

式中，(x′，0，0)為選擇研究節點的坐標；ΔTrake-Ⅰ(x，0，z)和ΔTrake-Ⅱ(x′，0，0)為第Ⅰ和第Ⅱ變形區熱源的影響溫度；T0為該點的初始溫度。

按照上述流程完成銑削加工工藝的模擬，確定銑削加工過程中的溫度變化規律。

2.5 控制銑削溫升

通過調整輸入的銑削參數控制磨損變形產生的熱量值，間接實現對刀具切入過程中溫度上升的控制。為方便讀取數據，3個溫度節點的具體設置情況見表1，將表中數據輸入到配置的仿真試驗環境中，實現對銑削溫升的控制。

表1 銑削溫升控制參數設置

2.6 測定銑后刀面磨損帶溫度分布規律

在不同的銑削溫度環境下模擬銑削加工工藝，加工完成后，銑后刀面磨損帶的溫度迅速冷卻，磨損帶各個節點位置上的冷卻速度相同。根據銑削處理方向，距離更近的位置存儲的熱量更高，因此該測點位置的溫度更高。利用銑前刀面磨損帶的溫度測定方式得出銑后刀面磨損帶各個測點的溫度數值模擬量化數據。同理，間隔3h后，溫度上升至150℃，再經過5h將最終銑削溫度提升至220℃，按照上述過程，在各個銑削溫度工況下得出對應的銑后刀面磨損帶溫度數值模擬結果。

2.7 實驗數據處理

對所采集的銑刀表面溫度數據進行處理：在設置的銑削溫度下進行銑削刀面磨損帶的溫度模擬，模擬方向為沿銑削力方向。將模擬數據的輸出頻率設置為4000Hz，切削過程持續10s左右，整個切削過程的仿真數據量非常龐大。為了減少數據量，選擇切削過程穩定區的t=0.1s時反映銑削刀面磨損帶的溫度變化情況。

3 仿真試驗結果分析

綜合銑削溫度、刀面瞬態溫度以及銑削溫度變化值等多個變量，得出初始工況(即銑削溫度為100℃時)的銑削前后刀面磨損帶平均溫度數值模擬結果(見圖4)。經過Fr1～Fr9和Af1～Af 9測點溫度數據的統計，得出銑前后刀面磨損帶溫度分布規律的輸出結果(見圖5)。根據銑削溫度的上升，可以得出銑削溫度為150℃和220℃時的磨損帶溫度分布規律數值模擬結果(見圖6)。

圖4 100℃時的磨損帶平均溫度數值模擬結果

圖5 銑削前、后的刀面磨損帶溫度分布(100℃)

綜合圖5和圖6的數值仿真結果可以看出，隨著銑削溫度的上升，刀面磨損帶中紅色區域的面積逐漸增加，藍色區域的面積逐漸減少，而中部黃色和綠色區域逐漸向周圍擴散。

為了實現刀面磨損帶溫度分布的量化比對，設置溫度變化指標和分布均勻度指標，計算該指標的數值結果為

(6)

式中，Tiin和Tiout分別為銑削前和銑削后測定的溫度值；Ti和Ei表示i等級對應的溫度值和分布面積；Tavg表示平均等級溫度；n為設置溫度等級的數量。

當計算得出的η值越大，說明刀面磨損帶的分布均勻度越高；計算得出的Δ值越大，說明銑削處理前后銑前后刀面磨損帶的溫度變化幅度越大。

(a)150℃工況

經過溫度分布規律數值模擬結果的轉換，得出溫度分布均勻度測試結果(見表2)。

表2 溫度分布面積測試結果

將表2數據代入式(6)中，得出100℃，150℃和220℃三個銑削溫度工況下，銑削處理后銑刀表面溫度分布均勻度分別為37.03，39.68和45.19。此外，從溫度變化來看，100℃，150℃和220℃三個銑削溫度工況下，Δ指標的計算結果分別為122.1，1200.2和3826.6。由此可得出結論：隨著銑削溫度的上升，銑削前后刀面磨損帶溫度均有上升，且銑削溫度越高，銑削處理前后的刀面磨損帶溫度變化幅度越大，銑削后銑刀表面溫度分布均勻度越高。

4 結語

在銑削溫度上升的情況下，對銑削前后刀面磨損帶溫度分布規律的數值仿真進行分析，可以確定銑削溫度變化對銑削前后刀面磨損帶溫度及其分布情況的影響，根據數值仿真結果進行銑削加工工藝實際運行參數的調整，在保證銑削質量的同時，最大程度地降低溫度不均以及溫度變化過大給銑刀設備造成的負面影響。由于條件限制，試驗在測試前利用仿真軟件分析了銑削溫度與銑削前后刀面磨損帶溫度分布規律之間的變化關系，試驗所得結論對優化銑刀設備以及銑削參數具有一定的參考價值。