刀具几何角度对高强度钢切削力影响的仿真研究

王书利，张 莹，蔡 瑛，姜增辉

(1.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头 014030；2.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

1 引言

高强度钢因其强度高、耐腐蚀性好、耐高温及良好的成形性等特点不仅广泛应用在民用工业领域，在常规武器制造领域也拥有很大的需求[1]。高强度钢材料在切削加工过程中切削力较大，由于切削力是机床、夹具设计和选用的重要参考依据[2-3]，是选择刀具时需要考虑的重要因素，因此，为合理选择机床和刀具，提高切削加工时的稳定性和改善工件表面质量，对高强度钢切削中切削力的研究具有重要意义。

通过仿真研究切削力效率高、成本相对较低，近年来逐渐受到一些学者的关注。文献[4]通过DEFORM-3D仿真研究了合金钢30CrNiMo8在不同切削参数下的切削力变化情况。文献[5]基于正交试验建立了高强度钢H13铣削力和表面粗糙度的经验模型。文献[6]基于ABAQUS进行了30CrMnSiA合金钢正交切削仿真，得到了刀具几何角度对切削过程中的塑性变形区域和应力分布区域的影响规律。

基于AdvantEdge建立了高强度钢34CrNiMo6的切削仿真模型，研究了切削加工高强度钢时刀具几何角度对切削力的影响规律。

2 仿真建模

2.1 本构模型

材料本构模型采用幂指数模型：

式中，g(εp)—应变硬化项；Γ(ε˙)-应变率敏感项；Θ(T)-热软化项。

应变硬化项表达式如下，如果εp＜εpcut，则：

式中：σ0—初始屈服应力；εp—塑性应变；— 切断应变；—参考塑性应变；n—应变硬化指数。

热软化项表达式如下，如果T＜Tcut，则：

如果T≥Tcut，则：

式中：c0～c5—多项式拟合系数；T—温度；Tcut—线性切断温度；Tmelt—材料熔点温度。

2.2 接触摩擦模型

接触摩擦模型采用库伦摩擦模型，摩擦系数设为0.5，表达式如下：

式中：τf—摩擦力；μ—摩擦系数；p—正压力。

2.3 仿真切削力

仿真得到的34CrNiMo6高强度钢正交切削过程，如图1所示。后处理得到仿真切削力，如图2所示。(图中Force-X为主切削力Fc，Force-Y为进给抗力Ff)。

图1 切削过程仿真Fig.1 Simulation of the Cutting Process

34CrNiMo6的抗拉强度为1300 N/mm2，由刀具切削手册[7]查得此类高强度钢材的主切削力计算公式：

式中：Fc—主切削力/N；

Kc—单位切削力/(N/mm2)；

h—切削厚度/mm；m—修正系数；

A—切屑截面积/mm2，且：

式中：ap—切削深度/mm；

fa—进给量/(mm/r)；

Kr—刀具的主偏角/(°)。

图2 仿真瞬时切削力Fig.2 Simulation of the Instantaneous Cutting Force

刀具切削手册[7]查得，由切削实验得到的抗拉强度为1100-1400N/mm2高合金钢的单位主切削力Kc=2500N/mm2，修正系数m=0.25。由此计算得到在ap=1mm，fa=0.3mm/r，Kr=90°条件下的主切削力为1013.4N。对比图2仿真切削力可知，仿真主切削力峰值为971.2N，由于仿真切削中忽略了刀具磨损后刃口半径增大对切削力的增大影响，因此仿真切削力略小于由式(9)得到的计算值。总体来看，仿真结果与计算结果是比较接近的，可以证明仿真模型的有效性。

3 仿真研究方案

为研究刀具主要几何角度对切削力的影响规律，以刀具刃口半径ρ、刀具前角γ0、刀具后角α0作为三个主要因素，建立三因素四水平的正交仿真研究方案，如表1所示。

表1 L16(43)正交仿真研究方案Tab.1 L16(43)Orthogonal Simulation Research Scheme

仿真切削参数为：切削速度vc=100m/min、进给量fa=0.3mm/r、切削深度ap=1mm、干切削。

4 极差分析

根据L16(43)正交仿真方案，进行了仿真研究，得到主切削力Fc、进给抗力Ff，如表2所示。切削力Fc、Ff的极差分析结果，如表3所示。由极差值得到对主切削力Fc影响的各个因素主次顺序为：刃口半径＞前角＞后角，在选定的研究参数范围内，主切削力最小的最优方案为A1B4C1，即ρ=0.01mm，γ0=10°，α0=4°；对进给抗力Ff影响的各个因素主次顺序为：前角＞刃口半径＞后角，在选定的研究参数范围内，进给抗力最小的最优方案为A1B4C2，即ρ=0.01mm，γ0=10°，α0=8°。

表2 L16(43)正交仿真切削力Tab.2 L16(43)Orthogonal Simulation Cutting Force

表3 切削力仿真结果极差表Tab.3 Range Analysis Table of Simulation Cutting Force

根据表3中的数据做出切削参数对切削力影响的直观分析图，如图3所示。由此可知，主切削力、进给抗力均随着刀具刃口半径的增大而增大，随着刀具前角的增大而减小，而后角变化对二者均无明显影响。

图3 刀具几何角度对切削力的影响Fig.3 The Influence of the Tool Geometry Angle on the Cutting Force

5 方差分析

5.1 主切削力Fc方差分析

对主切削力进行方差分析计算得到结果，如表4所示。通过对F值分布表进行查阅可得到其临界值为F0.05(3，6)=4.757，F0.01(3，6)=9.78。

表4 主切削力Fc方差分析表Tab.4 Variance Analysis Table of the Main Cutting Force Fc

由表4可知：对于主切削力Fc，刃口半径和前角影响非常显著，后角影响不显著。刀具几何角度中对主切削力Fc影响的显著性顺序为：刃口半径＞前角＞后角。

5.2 进给抗力Ff方差分析

对进给抗力进行方差分析计算得到结果，如表5所示。对于进给抗力Ff来说，刃口半径和前角影响非常显著，后角影响不显著。刀具几何角度中对进给抗力Ff影响的显著性顺序为：前角＞刃口半径＞后角。

表5 进给抗力Ff方差分析表Tab.5 Variance Analysis Table of the Feed Force Ff

6 结论

(1)刀具几何角度对主切削力Fc影响的主次关系为：刃口半径＞前角＞后角；对进给抗力Ff影响的主次关系为：前角＞刃口半径＞后角。(2)主切削力Fc、进给抗力Ff均随着刃口半径的增大而增大，随着前角的增大而减小。后角变化对二者均无明显影响。(3)由方差分析可知，刃口半径对主切削力Fc影响最显著，前角对进给抗力Ff影响最显著，后角对切削力Fc、Ff影响均不显著。