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

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)合作用下都會產生磨損。刀尖受切削熱作用強度有所下降,常發(fā)生磨損鈍化,導致切削力變大,加工表面質量下降。前刀面與后刀面的磨損形式主要是機械磨損和熱磨損。通常情況下,后刀面相對前刀面更易發(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準。研究刀齒的磨損過程,明確磨損與切削參數、刀具幾何參數間的關系,對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平面拉削加工時刀齒前刀面的磨損過程進行了數值仿真研究。

1 拉刀磨損有限元分析

運用有限元方法,對拉削加工過程進行模擬運算,可獲得關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對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模型對前刀面的磨損進行計算,刀齒前角為5°,后角為2°;刀具材料為WC硬質合金,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為時間增量;a、b為實驗修正系數。

圖1 平面拉削加工有限元模型

設置切削步為1200,切削行程為30mm。通過計算獲得關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,當切削進行到1100步時刀具前刀面磨損深度分布云圖。當step分別為200、400、600、800、1000、1200時,對應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,通過仿真運算確定這些因素對前刀面磨損程度的影響。

拉削速度對前刀面磨損的影響

保持齒升量為0.1mm,圓弧半徑為0.01mm不變,當拉削速度分別為3m/min、6m/min、12m/min、24m/min、48m/min時,刀齒切削行程達30mm后,對應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,變形的加劇導致產生了更多的切削熱,造成了前刀面更加嚴重的熱磨損。

圖3 刀齒前刀面磨損深度與拉削速度關系

齒升量對前刀面磨損的影響

保持拉削速度為12m/min、刀尖圓弧半徑為0.01mm不變,當齒升量分別為0.05mm、0.1mm、0.15mm、 0.2mm時,刀齒切削行程達30mm后,對應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變形更加劇烈,產生更多的切削熱,導致前刀面更嚴重的磨損。

圖4 刀齒前刀面磨損深度與齒升量關系

刀尖圓弧半徑對前刀面磨損的影響

保持拉削速度為48m/min、齒升量為0.1mm不變,當刀尖圓弧半徑分別為0.01mm,0.015mm、0.02mm時,刀齒切削行程達30mm后,對應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,從而產生更多的切削熱,導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系

(3)磨損帶寬度影響因素的分析

為確定切削參數、刀具幾何參數對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行仿真試驗分析。

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30mm后,刀尖圓弧半徑分別為0.01mm、0.015mm、0.02mm時所對應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30mm后,齒升量分別為0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm時所對應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30mm后,拉削速度分別為3m/min、6m/min、12m/min、24m/min、48m/min時所對應的刀具前刀面磨損帶寬度。由圖可見,當齒升量增加時,前刀面磨損帶寬度線性增加,兩者呈正相關關系,而刀尖圓弧半徑、拉削速度對磨損帶寬度沒有明顯影響。圖9是當刀尖圓弧半徑為0.01mm、拉削速度12m/min,刀齒切削行程達30mm后,齒升量分別為0.1mm、0.15mm時所對應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。