刀具钝化参数对刃口累积能量影响的研究.docx

? ? 刀具钝化参数对刃口累积能量影响的研究* ? ? 赵雪峰，杜宇超，吴志鹏 (贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025) 0 引言 刀具是现代切削加工中关键的基础部件，其性能直接影响加工效率和已加工零件的表面质量[1]。即使对刀具刃口进行仔细的磨削，刀具刃区的形貌依然会存在细小缺陷，从而降低刀具的寿命和加工质量[2]。刀具刃口钝化可以延长刀具使用寿命50%～400%[3]。因此，近年来刀具钝化技术越来越受到国内外学者的重视。 目前，国内外学者关于刀具刃口钝化开展了大量的研究。Tugrul Ozel使用切削软件进行仿真，使用钝化后的PCBN切削铝合金，研究了钝化后的刀具其应力、切削力等的变化规律[4]。Uhlmann对微切削刀具进行钝化实验，并通过切削实验验证了适当的刀具刃口钝圆半径可以减少刀具在切削过程中的磨损状况[5]。Priarone研究了不同的刃口形状对切削后的残余应力及已加工零件的表面质量的影响，验证了刀具刃口钝化可以有效的的提高加工的表面质量[6]。贾秀杰等采用切削实验探究了钝化后的刀具在不同的切削参数下切削工件时，产生的切削力和被加工零件的表面质量随切削参数变化而变化的规律[7]。朱晓雯等采用了7种不同的钝化工艺对硬质合金刀具进行钝化处理，其中包括立式旋转钝化法，并通过实验探究了不同钝化方式对硬质合金刀具寿命的影响[8]。 综合国内外研究现状，关于刀具刃口钝化的研究主要集中在钝圆半径对切削性能的影响规律上。关于刀具刃口钝化机制的研究比较少，主要是通过刀具刃口钝化实验研究钝化参数对钝圆半径的影响规律，对于刀具钝化过程的研究非常少。 本文基于离散元基本原理，采用离散元软件EDEM建立刀具刃口钝化仿真模型，对刀具刃口钝化过程进行仿真研究，探究钝化过程中，钝化时间、钝化速度和钝化方向对刀具刃口累积能量的影响规律，为研究刀具刃口钝化机制和刀具非对称刃口钝化过程提供依据。 1 刀具刃口钝化方法 刀具刃口钝化设备采用立式旋转钝化机，如图1所示。分散固体磨粒装在容器中，分散固体磨粒通常是由核桃粉、棕刚玉和碳化硅按照一定配比混合而成。成组刀具安装在主轴上，刀具在分散固体磨粒中进行旋转和上下往复运动，既能够实现单个刀具的公转和自转，又能实现成组刀具的公转和自转。 由于立式旋转钝化机运动系统由两级行星运动组成，结构相对复杂，可将其简化为如图2所示。成组刀具安装在刀盘上，以R2为半径绕轴心O2转动，单个刀具以自身中心O3为轴心做自转运动，整个刀盘以R1为半径绕O1转动。刀具在分散固体磨粒中进行两级行星运动，刀具刃口通过与分散固体磨粒不断地碰撞冲击，达到去除刃口微观缺陷的目的，实现高效均匀的钝化，刀具刃口各齿的运动轨迹如图3所示。 图1 立式旋转钝化机 图2 刀具行星运动钝化简图 图3 刀具转速为40r/min时某齿运动轨迹 2 刀具刃口钝化过程仿真模型建立 本文采用离散元软件EDEM对刀具刃口钝化过程进行仿真。 (1)刀具。采用硬质合金立铣刀，刀具前角为14o，后角为15o，直径为10mm，刃长为25mm，刀柄长75mm。通过三维软件Solidworks对立铣刀进行建模，由于刀具钝化过程中只研究刃口部分的磨损。因此，为提高计算效率，对硬质合金刀具进行简化，去掉刀柄部分，缩短排屑槽，简化后的刀具模型如图4所示。 图4 简化后刀具模型 (2)接触参数。磨粒采用40目的碳化硅颗粒。磨粒与磨粒之间的接触参数以及磨粒与立铣刀之间的接触参数如表1所示。 表1 接触参数 (3)接触模型。颗粒与颗粒之间的接触模型选取Hertz-Mindlin(no slip)模型，颗粒与立铣刀之间的接触模型选取Hertz-Mindlin with Archard Wear模型。 接触模型是当单元与单元之间相互接触时的力学行为，是离散元方法的核心。Hertz-Mindlin接触模型假设离散单元体为刚体，在力的计算方面精度高并且高效[9]。其接触力的计算过程如下: 半径为Ri、Rj的两球形颗粒之间发生弹性接触，则法向力Fn可以为： (1) 式中，E*代表等效弹性模量，R*代表颗粒的等效半径，δn代表法向堆叠量。 (2) 系数β可表示为： (3) 颗粒间的切向力Ft可以表示为： Ft=-Stδt (4) 式中，δt为颗粒间的切向重叠量，St为颗粒间的切向刚度。 (5) (4)网格划分。使用ANSYS软件对立铣刀的三维模型进行网格划分对刀尖刃口部分的网格进行细化。 (5)颗粒。将画好网格的立铣刀模型导入EDEM，添加颗粒工厂，采用Fill Section形式进行填充。选取EDEM中球状模型作为颗粒模型，设置颗粒半径为0.225mm，材料为碳化硅，共生成颗粒数量139995。 (5)仿真设置。综合考虑仿真效率等因素，将仿真时间设为5.15s。刀具刃口钝化仿真模型如图