基于DEFORM-3D的微织构刀具切削性能仿真分析

Ａ为材料 的屈 服应 力 （单位 ：ＭＰａ）；
曰为应 变硬化常数 （单位 ：ＭＰａ）；
Ｃ、ｎ、ＩＴｂ为材料 特性 系数 ，可 通过 材 料试 验或 切削
试 验方法 获取 。
仿真 过程 中 ，结 合参 考 文献 ［９］中常用 工 程 材料
Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ本构方 程 系 数 的表 格 选 取 相应 参 数 ，见
Ｎ Ｏ．３ Ｍ ａｒ．２０１６
基 于 ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ 的微 织 构 刀 具切 削性 能仿 真 分 析
徐 明 刚 ，张 振 ，马 小林 ，黄 文 勇
（北方工 业 大学 机械 与材 料 工程 学院 ，北京 １００１４４）
摘 要 ：现 代 摩擦 学和仿 生学证 实，具有 一定 非光 滑形 态的 高性 能 的表 面 织构 有 更好 的抗 磨 减摩 性 能 。 通过 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对仿 生 织构 ＰＣＤ 刀具进行 了三 维建模 ，ｉｆ，４用 ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ有 限元 分析软 件 ，对无微 织 构和 有微 织构 （凹坑 、沟槽 ）ＰＣＤ刀 具在 相 同条件 下进行 了三 维切 削仿 真 ，结合 其切 削力、切 削温度 进 行 切 削性 能分析 。结果表 明 ，一 定尺 寸 的 凹坑 、沟槽微 织构 可 以 有 效改 善 刀具 在 切 削过程 中的应 力 分布情 况 。然后 ，采 用激 光加 工 方法在 刀 片的前 刀 面置入 不 同微 织构 ，在 ＣＡ６１３６车床 上进 行切 削 实 验 。试 验 发现 ：干切 削条 件 下 ，沟槽 型 微 织构 刀具切 削铝 合金 工件 的表 面质 量要优 于无织 构刀 具 。 关键 词 ：ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ；ＰＣＤ刀具 ；微 织构 ；切 削性 能 中 图分类 号 ：ＴＨ１６６；ＴＧ６６１ 文 献标 识码 ：Ａ
表 １ 聚 晶金 刚 石 （ＰＣＤ）材料 相 关 参 数
＝ （Ａ＋藤 ）（１＋Ｃｌｎ￣）［１一ｌ 二 １］ （１） ｈ 一 ２
式 中 ： 为等效 应力 、 为等效应变 、 为应 变率 ；
、
。 、
分 别 为 变 形 温 度 、室 温 （一 般 取
２０℃ ）和材料熔 点 ；
图 １ Ｄｅｆｏｒｍ．３Ｄ 切 削 仿 真 有 限 元 模 型
１．１ 工 件和 刀具 建模 及 网格 划分
为了便 于刀具 上 微织 构 的物 理属 性 定义 ，仿 真分 析前 在 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中对 沟槽 、凹坑 和 无 微织 构 三 种 刀 具进行 三维 建 模 （见 图 ２），保存 为 ．ＳＴＬ格 式 ，导人 到 ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ的刀 具库 中 。在 ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ中进 行 刀 具属 性 的编辑 定 义 ，赋予 三 种刀 具 ＰＣＤ型金 属 性质 ， 其材料 的相关参数 见表 １。
第 ３期 ２０１６年 ３月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏｄｕｌａｒ Ｍ ａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆ Ａｕｔｏｍ ａｔｉｃ Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
文章编号 ：１００１—２２６５（２０１６）０３—００４４—０４
ＤＯＩ：１０．１３４６２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｍｔａｍｔ．２０１６．０３．０１２
０ 引 言
传统摩擦 学认为光 滑表面具有更 好 的耐磨 性 。然 而 ，现代摩擦 学和仿生学 的相关研究 证实 ，表 面并非越 光滑越耐磨 ，而具有 一定 非 光滑 形态 的高性 能 的表 面 织 构具有更好 的抗磨 减 摩性 能 ，是一 种 有效 地改 进 表 面摩 擦性能 和 提高 表面 承 载能 力 的措施 ¨。 。常 见微 织 构的形式 主要有沟槽 阵列微织 构 、凹坑 阵列 微织构 、 凸包阵列微 织 构 以及鳞 片 阵列 微织 构 等 。因此 除 了材料本 身的性能 ，刀 具抗 磨减 摩 空 间的提 升 还可 以 通过在其切 削面加工 出具有一 定形貌 的表 面织构来 实 现 。 日本 中央研究所 的 Ｎｏｒｉｔａｋａ Ｋａｗａｓｅｇｉ等人 利用 前 刀面加工有 沟槽型 微织 构 的刀 具 ，在微 量润 滑 条件 下 车削铝合 金 ，发现微 织 构可 以明显 降低 前 刀面 的摩 擦
１ 有 限元 模 型 建 立
ＤＥＦＯＲＭ 车削仿 真 的一般 模 型 见 图 １，该模 型表 征进 给量 、切削速度 、被吃刀量 三个 主要参 数 。通 过设 定 工件 和刀具 的材 料 物理 属性 ，调 整 三个 主要 参数 的 大小 ，来 分析其对 切削性能 的影响 。
朗 日法来划 分 网格 Ｊ。对沟 槽织 构 刀具 ，其单 元 网格 数 为 ３５２１２个 ，在刀 尖处 选 择默 认 ４：１的尺 寸 比例 来 细 化 网格 ，也就是 将 刀尖 处 的 网格 在 刀具 网格 粗划 分 的基础上再 细化 ２５％ 。在本 例 中 ，对微 坑织 构和无 织 构 刀具 的网格 划分 同样 采用 上述 形式 ，微 坑织 构 和无 微 织构刀具 的单 元 网格 数分 别为 ３５０００、３５０００个 。对 工 件进行 网格划分 ，ＤＥＦＯＲＭ 系 统设 定工 件上 单元 相 对 网格尺 寸的数量 不 能超 过 ８００００个 ，考虑 到 刀具 和 工 件之 间 的 接 触 和 分 离 关 系相 当复 杂 而 且 易 于 出 错 ，故设 定其单元 网格数为 ６００８８个 ，设定 密集 处 以 ７：１的尺 寸 比例来细化 网格 。
ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｍｉｃｒｏ ｔｅｘｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｉ ｃｒｏ ｔｅｘｔｕｒｅ（ｐｉｔｓ，ｇｒｏｏｖｅｓ）ＰＣＤ ｔｏｏｌ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍ ｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｍｂｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｔｓ，ｇｒｏｏｖｅｓ，ｍ ｉｃｒｏ ｔｅｘｔｕｒｅ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓＷｅｓｓ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｈｅｎ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｍ ｉｃｒｏ ｔｅｘｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＰＣＤ ｂｌａｄｅ ｋｎｉｆｅ ｂｙ ｒａｋｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍ ｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｕｔ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ｏｎ ｆｌ ＣＡ６１３６ ｌａｔｈｅ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｏｖｅ ｔｙｐｅ ｍ ｉｃｒｏ ｔｅｘｔｕｒｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｕｎｔｅｘｔｕｒｅｄ ｔｏｏｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｒｙ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＥＦＯＲＭ 一３Ｄ ；ＰＣＤ ｔｏｏｌ；ｍ ｉｃｒｏ ｔｅｘｔｕｒｅ；ｃｕｔｔｉｎｇ ｎａｔｕｒｅ
表 ２。将 此数据依 次输入到材 料的定义属性 中 。
表 ２ ６０６１铝 合 金 常用 Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ材 料 参数
◆◆◆
（ａ）［ 坑织 构 （ｂ）沟槽 织构 （ｃ）无 织构
图 ２ 微 织 构 刀具 三维 模 型
本 次刀具建模 过程 中选 取 的 １２方 的外 圆车刀 ，刀 片前角 ０。，后角 ９。，主 偏角 ９０。，刃倾 角 ０。。沟槽 织 构 截面 为矩形 ，长 、宽 为 ｌＯ０／ｚｍ Ｘ ５ ｍ，各 沟槽 通过 间距 为 ｌＯ０／ｚｍ进行 线 性 阵列 。刀 具 表 面 的不 同纹 理织 构 以及 织构 的尺 寸 ，对刀具 强度产生一 定 的影 响 ，微坑 直 径对 刀具强度 影 响 比较 大 ，在 ７ ｍ 时 ，影 响 较小 ，因 此在 建 模 过 程 中选 取 这 些 不 同 纹 理 织 构 的直 径 为 ７ ｍ；织构 间距 在 ｌＯ０／ｚｍ到 ２００／ｘｍ之 间变 化 时 ，对 刀 具 强 度 影 响 不 大 ，在 建 模 过 程 中 选 取 织 构 间 距 为 ２００／．ｔｍ，同时设 置 凹坑 、凹槽 以及 凸点 的深度 和高 度 为
本文利 用 ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ有 限元 分 析 软件 ，对 材 料
收 稿 日期 ：２０１５—０５～１１ 基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基 金 （５１２０５００５） 作 者 简介 ：徐 明 刚 （１９７９一 ），男 ，山东青 岛人 ，北 方 工 业 大 学 副 教 授 ，博 士 （后 ），研 究 方 向为 高 效 复 合 加 工 技 术 ，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｘｍｇ＠ ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．
１．２ 材料 属性 及前 处理
本例采用 的软件版本 为 ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ ｖｅｒ ６．１。其 自带丰 富的材料库 ，并且 还 可 以根据 用户 需要 添 加 自 定 义材料 Ｊ。本实 例 中 ，工 件 选用 ６０６１铝合 金材 料 。 材 料 的非线 性 塑性 行 为采 用 Ｊｏｈｎｓｏｎ．Ｃｏｏｋ本 构方 程 ， 其 形式简单 应用范 围广 ，适 用 于描述 大应 变率 下 黑色 金 属和有 色金属 的应 力应 变关 系 。Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ模 型描述 为 ：
ｅｄｕ．ｃｎ。
２０１６年 ３月 Fra bibliotek徐 明刚，等 ：基于 ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ的微织构刀具切削性能仿真分析
·４５·
的非线 性 塑性 行 为采 用 Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ本构 方 程 ，在 干 切 削条件下 对无 微 织 构 和有 微织 构 的 ＰＣＤ刀 具 的三 维 切削过程 进行 了有 限元 分 析 。对 凹坑 、沟槽 微织 构 刀具在相 同条件下 进行切削仿 真 ，结合其 切削力 、切 削 温度进行研 究 ；通过 与 无微 织 构刀 具切 削 进行 对 比分 析 ，讨论在 刀具 的前 刀 面 置入 不 同微织 构 后对 切 削力 的影 响。然后 ，通过 实 验进 行 验证 沟槽 织 构 刀具 的切 削性能 ，从 而为微织 构 刀具 的进一 步研 究 提供 一定 的 理 论 基 础 。