不同形貌微织构钛合金切削刀具性能比较研究_祁志旭.pdf

第4 0卷第1期河 北 工 业 科 技V o l.4 0,N o.12 0 2 3年1月H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yJ a n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 3 4(2 0 2 3)0 1-0 0 1 0-0 8不同形貌微织构钛合金切削刀具性能比较研究祁志旭,陈兴媚,刘 洋,王 利(广东理工学院智能制造学院,广东肇庆 5 2 6 1 1 4)摘 要:为了提升钛合金切削刀具的切削性能,设计了3种不同形貌的微织构刀具,并基于不同切削参数,利用有限元软件对钛合金切削过程进行模拟仿真。对比研究了钛合金切削过程中切削力、切削温度和刀具磨损等主要切削性能要素的变化规律。研究结果表明:在设定的切削参数下,微织构刀具的切削温度和刀具磨损均低于无织构刀具,但其切削力略高于无织构刀具。微织构刀具对切削温度和刀具磨损分布的影响优于无织构刀具。其中V形凹槽织构刀具(T-V)将切削温度降低了2 5%3 7%,刀具磨损降低了2 7%3 9%,综合评价表明其综合切削性能优于T-H,T-N和T-K 3种刀具。不同形貌的微织构刀具的研究可提升刀具的切削性能,为微织构刀具设计提供理论参考。关键词:切削刀具;微织构刀具;钛合金;有限元;层次分析中图分类号:T G 5 0 6.9 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b g y k j.2 0 2 3 y x 0 1 0 0 2收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 8;修回日期:2 0 2 2-1 1-0 2;责任编辑:陈书欣基金项目:广东理工学院“创新强校工程”科研计划项目(2 0 2 1 G K J Z K 0 0 7)第一作者简介:祁志旭(1 9 9 0),男,河南信阳人,讲师,硕士,主要从事机械制造方面的研究。通信作者:陈兴媚讲师。E-m a i l:3 3 7 9 4 0 0 4 0q q.c o m祁志旭,陈兴媚,刘洋,等.不同形貌微织构钛合金切削刀具性能比较研究J.河北工业科技,2 0 2 3,4 0(1):1 0-1 7.Q I Z h i x u,C H E N X i n g m e i,L I U Y a n g,e t a l.C o m p a r a t i v e s t u d y o n t h e p e r f o r m a n c e o f m i c r o t e x t u r e t o o l s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g i e s i n c u t t i n g t i t a n i u m a l l o y sJ.H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 0(1):1 0-1 7.C o m p a r a t i v e s t u d y o n t h e p e r f o r m a n c e o f m i c r o t e x t u r e t o o l s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g i e s i n c u t t i n g t i t a n i u m a l l o y s Q I Z h i x u,CHE N X i n g m e i,L I U Y a n g,WANG L i(I n s t i t u t e o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g,G u a n g d o n g T e c h n o l o g y C o l l e g e,Z h a o q i n g,G u a n g d o n g 5 2 6 1 1 4,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e c u t t i n g p e r f o r m a n c e o f c u t t i n g t i t a n i u m a l l o y,m i c r o-t e x t u r e t o o l s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g i e s w e r e d e s i g n e d.B a s e d o n d i f f e r e n t c u t t i n g p a r a m e t e r s,t h e c u t t i n g p r o c e s s o f t i t a n i u m a l l o y w a s s i m u l a t e d b y f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e.T h e c h a n g i n g r u l e s o f k e y c u t t i n g p e r f o r m a n c e f a c t o r s,s u c h a s c u t t i n g f o r c e,c u t t i n g t e m p e r a t u r e a n d t o o l w e a r d u r i n g t i t a n i u m a l l o y c u t t i n g w e r e s t u d i e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u t t i n g t e m p e r a t u r e a n d t o o l w e a r o f t h e m i c r o-t e x t u r e t o o l s a r e l o w e r t h a n t h o s e o f t h e u n t e x t u r e d t o o l s,b u t t h e c u t t i n g f o r c e o f m i c r o-t e x t u r e t o o l s i s s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h a t o f t h e u n t e x t u r e d t o o l s.T h e i n f l u e n c e o f m i c r o t e x t u r e d t o o l s o n c u t t i n g t e m p e r a t u r e a n d t o o l w e a r d i s t r i b u t i o n i s b e t t e r t h a n t h a t o f t h e u n t e x t u r e d t o o l s.T o o l o f T-V r e d u c e s t h e c u t t i n g t e m p e r a t u r e b y 2 5%3 7%.T h e t o o l w e a r i s r e d u c e d b y 2 7%3 9%.T h e c o m p r e h e n s i v e c u t t i n g p e r f o r m a n c e o f T-V i s b e t t e r t h a n t h a t o f T-H,T-N a n d T-K t o o l s b y a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s.T h e r e s e a r c h o f m i c r o-t e x t u r e d t o o l s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g i e s c a n i m p r o v e t h e c u t t i n g p e r f o r m a n c e o f t o o l s,a n d p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h e t e x t u r e d t o o l s.K e y w o r d s:c u t t i n g t o o l;m i c r o-t e x t u r e t o o l;t i t a n i u m a l l o y;f i n i t e e l e m e n t;a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s第1期祁志旭,等:不同形貌微织构钛合金切削刀具性能比较研究 在切削加工过程中,刀具前刀面与切屑之间的高速相对滑动导致切屑-刀具界面处产生了较高的切削温度和强烈的摩擦,使刀具产生了难以消除的磨损,影响刀具的使用寿命和工件的表面质量。尤其是在切削钛合金等难加工材料的过程中,切屑严重黏附于刀具表面,导致刀具磨损更甚,严重影响工件表面的完整性1。因此,改善刀-屑界面的摩擦行为对延长刀具寿命、提高切削效率和加工精度等具有重要的现实意义。对此,国内外学者从刀具材料设计2、刀具涂层技术3、冷却润滑技术4和刀具表面技术5等方面展开了大量的研究。其中刀具表面技术是改善刀-屑界面摩擦特性的低成本、高性能的有效途径之一,表面织构就是刀具表面技术的典型应用。仿生学和表面织构摩擦学研究表明,表面织构的应用可以改变摩擦学性能,为改善摩擦行为提供了一种新途径。在使用微织构刀具切削过程中,切削力、切削温度、刀具磨损和工件残余应力等是衡量微织构刀具切削性能优劣的关键6-1 0,改变织构形貌和织构几何参数是提升刀具切削性能的有效手段。K I S HA WY等6设计了适用于任何加工材料、刀具几何状态和加工参数的微织构刀具优化分析模型,并结合A I S I 1 0 4 5钢管的切削验证了分析模型的有效性,结果表明,与无织构刀具相比,最佳结构分布的微织构能够有效消除衍生切削和降低切削过程中的切削力。Y A N G等7-8通过实验和有限元仿真技术分别研究了微坑织构几何参数对切削温度和切削力的影响,得到了分别以切削温度和切削力为单一评价标准的两组微坑织构最佳几何参数组合。以上研究均只讨论了不同织构形貌同一几何参数或同一织构形貌不同织构几何参数的微织构刀具在确定的切削参数下对单一切削性能要素的影响,并没有通过研究织构刀具在不同切削参数下对多种切削性能要素的影响来判断刀具切削性能的优劣。佟欣等9利用实验和仿真技术深入研究了微织构几何参数变化对铣削过程中的铣削力、铣削温度、刀具磨损和刀具前刀面粗糙度的影响,发现变密度微织构刀具的铣削性能优于均匀分布密度的微织构刀具;并通过模糊综合评价确定了最优的织构分布密度。虽然该研究比较全面地分析了微织构参数对多个切削性能要素的影响,但是仍然是在单一织构形貌和确定的切削参数下的分析研究。O L L E A K等1 0建立了不同形貌的微织构刀具切削钛合金的三维有限元模型,从切削过程中的切削力、温度、应力等方面,比较全面地分析了不同织构形貌对多个切削性能要素的影响,能够较为直观地了解到何种形貌的微织构适合此环境的钛合金切削。但由于使用单一切削参数进行研究,并不能够观察在切削参数变化的情况下,织构刀具对切削性能的影响。目前也很少检索到关于研究不同形貌的微织构刀具在不同切削参数条件下对切削性能影响的报道。尤其是在钛合金切削领域,微织