一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法

摘要

一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，涉及切削加工方法，通过实验和计算得到工件的流变数据和物理参数刀具物理参数，用有限元软件先后使用瞬态和稳态模拟得到陶瓷刀具的温度场和应力场。经过分析不同切削条件下刀刃的温度场和应力场分布，确定最优的切削参数。本发明使用了瞬态和稳态结合的方法，数据更准确，对合理使用陶瓷刀具，提高陶瓷刀具寿命，确定了不同工件材料的精加工、半精加工、粗加工所对应的重要切削参数(切削速度v、进给量f、切削深度αP)。在满足切削条件、延长陶瓷刀具使用寿命、提高加工质量、降低加工成本等方面起到显著作用。

说明书

技术领域

本发明涉及切削加工方法，特别是涉及一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，该方法对优选陶瓷刀具切削参数及寿命预测。 

背景技术

陶瓷刀具优良的力学性能与高温性能，对车削、铣削加工铸铁、淬硬钢等材料实现了绿色切削。陶瓷刀具材料拥有优异特性，应用到数控切削加工领域具有重要的实际意义。在切削加工中选用陶瓷刀具需解决的重要问题是如何减小切削刃的磨损以提高寿命达到高精度、高质量的加工表面。研究表明：陶瓷刀具磨损不仅会降低切削表面质量而且会大大的提高切削力，变化的切削力会使刀具运动不规则，从而降低了工件表面的加工精度。形成的磨损机理是在高温、高机械应力作用下陶瓷刀具材料的蠕变行为使裂纹生长和扩展，最终导致失效。 

刀具材料在满足加工材料同时，主要存在不同的被加工材料，如何选用切削用量(切削速度v、进给量f、切削深度α_P)以提高刀具寿命，减少刀刃磨损，达到确定切削参数的选择顺序。多年来尽管陶瓷刀具在数控加工领域发挥重要作用，由于陶瓷刀具的温度场和应力场难以测量计算，在给定切削用量条件下，工件与刀具之间产生的温度场和应力场引起切削刃磨损、耐用度下降的作用行为以及切削不同材料不能提供最佳的切削参，造成陶瓷刀具的不合理使用，增加了加工成本。近年来用数值仿真技术分析刀具材料表面的温度场和应力场对评价刀具的寿命及可靠性诊断是解决刀具合理使用及提高耐用度的有效手段之一。 

早期的切削模拟大多使用Lagrange和 Eulerian算法，当今较多使用了ALE和SPH算法，但仅限于建立金属刀具的应力场和温度场模拟分析。本专利依据实际切削数据所给出的陶瓷刀具寿命模型表明了进给量对陶瓷刀具寿命影响最大，切削速度属次要位置，切削深度变化对刀具寿命影响较小的三者之间关系。综合Lagrange和ALE算法对陶瓷刀具切削加工过程建立相关动态的温度应力场，用二维模拟在假设切削深度大于等于进给量的10倍，进而减少模拟过程的复杂性，使忽略切削深度影响的条件下，模拟优选出的切削数据(切削速度、进给量、切削深度)更加准确，提供了评价陶瓷刀具可靠性的技术方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，该方法通过综合使用Lagrange和ALE算法对陶瓷刀具的失效位置评价，优选出陶瓷刀具切削参数及寿命预测，诊断切削条件预测工件加工过程的刀刃磨损降到最小，进而延长了陶瓷刀具的使用寿命。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，所述方法包括以下过程：

1) 通过实验计算得到工件的Johnson-Cook流变模型；

2) 通过实验计算得到陶瓷刀具相关的性能数据；

3) 将数据输入到Deform软件中，使用瞬态有限元模拟的方法获得被加工工件切削长度时候的温度场和应力场分布，然后使用瞬态模拟方法得到切削达到稳态时的温度场和应力场，通过对比切削条件下的温度场和应力场优选出陶瓷刀具的切削条件。

所述的一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，其所述方法分别用瞬态和稳态模拟出切削过程中稳态温度应力场分布。 

所述的一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，其所述方法瞬态模拟使用拉格朗日算法，稳态模拟中使用ALE算法。 

具体步骤为： 

1）通过查阅相关文献及实验计算分别得到适应工件的Johnson-Cook流变模型和物理性能参数，所需要的物理参量如表1所示。

借助查阅到具体工件的Johnson-Cook流变模型，可以通过流变机得到工件的流变曲线，然后将获得的流变数据带入公式（1），通过数学拟合确定各个参数，即可得到其流变模型，具体的拟合算法可根据选定条件分析。 

        （1） 

A、B、ｎ、C、ｍ 为材料参数，σ 为等效应力；为等效塑性应变；为应变率，一般取0.1~10^-5s^－１；T为瞬时温度,T_r和T_m分别为室温和材料融化温度。

表1 需要的刀具参数物理量 

密度杨氏模量泊松比比热导热率热涨系数

2）通过试验计算获得刀具材料的物理性能数据。

由于刀具作为刚体处理，所以一般不考虑其形变，根据前期测得的性能参数输入软件即可，需要的参数量(见表1)。 

3）将数据输入到Deform软件中，使用瞬态有限元模拟的方法得到当工件切削一定长度的时候的温度场和应力场分布。然后使用瞬态模拟方法得到切削达到稳态时的温度场和应力场分布。综合考虑时间和结果精确度因素，工件长度选用100mm既满足条件。通过分析模拟获得刀具在不同切削速度下的稳态温度场和应力场和不同进给量条件下的稳态温度场应力场，即可预测刀具主要破损位置，通过温度变化和综合考虑刀具物理性能可以推测陶瓷刀具的磨损情况，为确定切削参数、匹配工件材料、刀具选取提供依据。 

本发明的优点与效果是： 

本发明方法适合任何种类陶瓷刀具的仿真模拟，可提供粗加工、半精加工、精加工条件下，加工不同材料的切削参数范围。在满足切削条件、延长陶瓷刀具使用寿命、提高加工质量、降低加工成本等方面起到显著作用。

附图说明

图1(a) ~ 图1(e) 为切削量0.1mm/r --0.5mm/r、切削速度140m/min时不同进给量的刀刃稳态温度场图； 

图 2 (a) ~ 图2(b) 为切削速度140m/min时不同进给量时刀刃的温度分布曲线图；

图3(a) ~ 图3(e) 为进给量0.1mm/r -- 0.5mm/r、切削速度140m/min时不同进给量的刀刃稳态应力场图；

图 4 (a) ~ 图4(b)切削速度140m/min时不同进给量的刀刃应力分布曲线图；

图5(a) ~ 图5(d) 为切削速度140m/min -- 290m/min、进给量0.1mm/r时不同切削速度下刀刃的稳态温度场图；

图 6 (a) ~ 图6(b)为进给量0.1mm/r时不同切削速度下刀刃的稳态温度分布曲线图；

图7 (a) ~ 图7 (d) 为切削速度140m/min -- 290m/min、进给量0.1mm/r时不同切削速度的稳态应力场图；

图 8 (a) ~ 图8(b)为进给量0.1mm/r时不同切削速度的稳态应力分布曲线；

图9 (a) ~ 图9(b) 实际切削过程的耐用度与切削速度V_c (a)、进给量f (b)的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。 

图中：图1(a) ~ 图1(e) 切削速度140m/min时不同进给量的刀刃稳态温度场；(a)0.1mm/r ；(b)0.2mm/r ；(c)0.3mm/r ；(d)0.4mm/r； (e) 0.5mm/r。 

图 2 (a) ~ 图2(b)切削速度140m/min时不同进给量时刀刃的温度分布曲线（与图1数据相对应）。 

图3(a) ~ 图3(e) 切削速度140m/min时不同进给量的刀刃稳态应力场；(a) 0.1mm/r (b) 0.2mm/r (c) 0.3mm/r (d) 0.4mm/r (e) 0.5mm/r 

图 4 (a) ~ 图4(b)切削速度140m/min时不同进给量的刀刃应力分布曲线（与图3数据相对应）。

  

图5(a) ~ 图5(d)进给量0.1mm/r时不同切削速度下刀刃的稳态温度场；(a) 140m/min (b) 190m/min (c) 240m/min (d) 290m/min

图 6 (a) ~ 图6(b)进给量0.1mm/r时不同切削速度下刀刃的稳态温度分布曲线（与图5数据相对应）。

图7 (a) ~ 图7 (d)进给量0.1mm/r时不同切削速度的稳态应力场；(a) 140m/min (b) 190m/min (c) 240m/min (d) 290m/min 

图 8（a）~ 图 8 (b)进给量0.1mm/r时不同切削速度的稳态应力分布曲线（与图7数据相对应）。

图9 实际切削过程的耐用度与切削速度V_c (a)、进给量f (b)的关系 

实施例1：

选取工件材料45#淬硬钢，确定的Johnson-Cook流变模型参数（见表1），物理参数（见表2）。刀具材料为Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷材料，通过测试的物理参数（见表3）。

表1  45#淬硬钢Johnson-Cook模型参数 

表2  45#淬硬钢的物理参数

表3  Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合材料物理参数

代入以上参数运算结果的流变方程为：

实施例2：

按实际试验的切削速度选取140m/min时，进给量分别取0.1mm/r、0.2 mm/r、0.3 mm/r、0.4 mm/r、0.5 mm/r，仿真模拟出五种进给条件下刀刃局部的稳态温度梯度曲线（见图1 (a)；(b)；(c)；(d)；(e)），从图1中看出高温密集区主要分布在前刀面。图2(a)和 (b)分别表示前、后刀面的温度曲线，从图2可以看出不同进给量对前、后刀面的温度场有明显影响。当进给量为0.1-0.4mm/r时，靠近刀尖处前、后刀面的温度集中在600℃以下。　　　　

图3(a)；(b)；(c)；(d)；(e)为稳态应力曲线，由图3可知最大应力集中在刀尖处，最大压应力为1700MPa，图4(a)和 (b)分别表示前、后刀面的应力曲线，由图4可以看出在进给量0.2mm/r时未出现应力梯度变化，在0.3mm/r与其他进给量相比尽管有梯度变化，但梯度变化较小，选取0.2 ～0.3mm/r进给量有利于延长刀具寿命。

研究表明陶瓷刀具的磨损机制主要是磨粒磨损，当切削过程在1000℃高温及高应力梯度变化时，刀刃微观组织晶界处受其影响强度减弱发生加速磨损，降低了陶瓷刀具寿命。所以在低温及低应力梯度处，优选出的进给量对提高陶瓷刀具寿命会起到明显作用，为提高切削加工效率，仿真模拟出的最佳进给参数0.2～0.3mm/r。 

实施例3： 

按试验切削速度选取进给量为0.1mm/r，切削速度为140m/min、190m/min、 240m/min、290m/min得到四种情况下刀具的稳态温度场分布（图5(a)；(b)；(c)；(d)）,从图5可以看出高温密集区主要分布在前刀面。图6(a)和(b)分别表示刀尖处前、后面的温度变化曲线，从图6可以看出当切削速度为140m/min和190m/min时最大温度小于800℃，其他切削速度下刀尖温度在1000℃以上。由实例2分析可知，当速度在不超过190m/min时，靠近刀尖处前、后刀面的温度集中在800℃以下，属于低温加工区。

图7(a)；(b)；(c)；(d)所示为稳态应力梯度曲线，由图7可知最大应力集中在刀尖处。图8(a)和(b)分别表示前、后刀面的应力曲线，由图8可以看出在切削速度从140 ～190m/min的应力变化小于240～290m/min的应力变化，对应两个最大应力分别为小于2200MPa和3100MPa，其选取140～190m/min范围有利于提高刀具寿命。 

上述对Al₂O₃/ZrO₂(Y₂O₃)复合陶瓷刀具切削45^#淬硬钢的仿真模拟最佳进给量f取值在0.2mm/r～0.3mm/r范围，切削速度v为140m/min ～190m/min范围，切削深度α_P对刀具寿命影响最小，按实际工件材料的粗加工、半精加工、精加工条件选取。 

此方法诊断的切削条件(切削速度v、进给量f、切削深度α_P)所预测工件加工过程的刀刃磨损降到最小，进而延长了陶瓷刀具的使用寿命。 

仿真模拟优选的加工参数与实际切削加工的对比基本相同（实际切削数据及刀具寿命见图9所示）。