平面拉刀磨損有限元分析

2017-01-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

拉刀的工作條件惡劣,拉刀刀齒的前刀面、后刀面、刀尖處在切削力、摩擦力及切削熱的聯(lián)合作用下都會(huì)產(chǎn)生磨損。刀尖受切削熱作用強(qiáng)度有所下降,常發(fā)生磨損鈍化,導(dǎo)致切削力變大,加工表面質(zhì)量下降。前刀面與后刀面的磨損形式主要是機(jī)械磨損和熱磨損。通常情況下,后刀面相對(duì)前刀面更易發(fā)生磨損,并在后刀面形成帶狀的磨損區(qū),因此往往把后刀面的磨損程度作為刀具耐用度的判定標(biāo)準(zhǔn)。研究刀齒的磨損過程,明確磨損與切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)間的關(guān)系,對(duì)于提高拉刀使用壽命具有一定的意義,因此采用有限元方法對(duì)平面拉削加工時(shí)刀齒前刀面的磨損過程進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。

1 拉刀磨損有限元分析

運(yùn)用有限元方法,對(duì)拉削加工過程進(jìn)行模擬運(yùn)算,可獲得關(guān)于刀齒磨損情況的精確分布解。用單一變量因素方法,可分別分析拉削速度、齒升量、刀尖圓弧半徑等參數(shù)對(duì)前刀面磨損程度的影響。

(1) 平面拉刀刀齒磨損過程分析

選取單一刀齒作為研究對(duì)象,建立基于Deform-3D的平面拉削加工有限元分析模型,如圖1所示。采用Usui模型對(duì)前刀面的磨損進(jìn)行計(jì)算,刀齒前角為5°,后角為2°;刀具材料為WC硬質(zhì)合金,工件材料為AISI1045鋼。Usui模型方程式為

(1)

式中,p為接觸壓力;V為滑移速度;T為接觸溫度;dt為時(shí)間增量;a、b為實(shí)驗(yàn)修正系數(shù)。

圖1 平面拉削加工有限元模型

設(shè)置切削步為1200,切削行程為30mm。通過計(jì)算獲得關(guān)于刀齒磨損狀況的精確分布解。圖2為拉削速度48m/min、齒升量0.1mm、刀尖圓弧半徑為0.02mm時(shí),當(dāng)切削進(jìn)行到1100步時(shí)刀具前刀面磨損深度分布云圖。當(dāng)step分別為200、400、600、800、1000、1200時(shí),對(duì)應(yīng)的前刀面最大磨損深度分別為0.000394mm、0.000797mm、0.001255mm、0.001575mm、0.002047mm、0.002505mm,可見隨著切削的進(jìn)行,刀齒前刀面磨損深度逐漸增加。

圖2 刀齒前刀面磨損深度分布

(2) 刀齒磨損深度的影響因素分析

以拉削速度、齒升量、刀尖圓弧半徑為單因素變量,通過仿真運(yùn)算確定這些因素對(duì)前刀面磨損程度的影響。

拉削速度對(duì)前刀面磨損的影響

保持齒升量為0.1mm,圓弧半徑為0.01mm不變,當(dāng)拉削速度分別為3m/min、6m/min、12m/min、24m/min、48m/min時(shí),刀齒切削行程達(dá)30mm后,對(duì)應(yīng)的前刀面最大磨損深度分別為0.0006767mm、0.0011014mm、0.002927mm、0.0057052mm、0.0014828mm。如圖3所示,隨著切削速度的提高,刀具前刀面磨損加劇。主要原因在于拉削速度提高,則工件切削層材料變形速度加快,變形的加劇導(dǎo)致產(chǎn)生了更多的切削熱,造成了前刀面更加嚴(yán)重的熱磨損。

圖3 刀齒前刀面磨損深度與拉削速度關(guān)系

齒升量對(duì)前刀面磨損的影響

保持拉削速度為12m/min、刀尖圓弧半徑為0.01mm不變,當(dāng)齒升量分別為0.05mm、0.1mm、0.15mm、 0.2mm時(shí),刀齒切削行程達(dá)30mm后,對(duì)應(yīng)的前刀面最大磨損深度分別為0.00255mm、0.002927mm、0.003301mm、0.003524mm,如圖4所示?？梢婋S齒升量變大,前刀面磨損深度增加,刀具磨損加劇。原因在于工件切削層厚度變大,其自工件基體分離形成切屑時(shí)變形更加劇烈,產(chǎn)生更多的切削熱,導(dǎo)致前刀面更嚴(yán)重的磨損。

圖4 刀齒前刀面磨損深度與齒升量關(guān)系

刀尖圓弧半徑對(duì)前刀面磨損的影響

保持拉削速度為48m/min、齒升量為0.1mm不變,當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑分別為0.01mm,0.015mm、0.02mm時(shí),刀齒切削行程達(dá)30mm后,對(duì)應(yīng)的前刀面最大磨損深度分別為0.0014828mm、0.0022895mm、0.002505mm,如圖5所示?？梢婋S刀尖圓弧半徑變大,刀具變鈍,切削力變大,從而產(chǎn)生更多的切削熱,導(dǎo)致前刀面磨損深度增加,刀具磨損加劇。

圖5 刀齒前刀面磨損深度與刀尖圓弧半徑關(guān)系

(3)磨損帶寬度影響因素的分析

為確定切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)對(duì)刀齒前刀面磨損帶寬度的影響,分別以拉削速度、齒升量、刀尖圓弧半徑為單因素變量進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。

圖6是保持齒升量0.1mm、拉削速度48m/min不變,刀齒切削行程達(dá)30mm后,刀尖圓弧半徑分別為0.01mm、0.015mm、0.02mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的刀具前刀面磨損帶寬度;圖7是保持刀尖圓弧半徑為0.01mm、拉削速度12m/min不變,刀齒切削行程達(dá)30mm后,齒升量分別為0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的刀具前刀面磨損帶寬度;圖8是保持齒升量為0.1mm、刀尖圓弧半徑0.01mm不變,刀齒切削行程達(dá)30mm后,拉削速度分別為3m/min、6m/min、12m/min、24m/min、48m/min時(shí)所對(duì)應(yīng)的刀具前刀面磨損帶寬度。由圖可見,當(dāng)齒升量增加時(shí),前刀面磨損帶寬度線性增加,兩者呈正相關(guān)關(guān)系,而刀尖圓弧半徑、拉削速度對(duì)磨損帶寬度沒有明顯影響。圖9是當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑為0.01mm、拉削速度12m/min,刀齒切削行程達(dá)30mm后,齒升量分別為0.1mm、0.15mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的刀具前刀面磨損分布云圖,由圖可見磨損帶寬度有明顯不同。