一种基于屈强比的刀具断屑槽设计及优化方法

技术领域

本发明涉及一种刀具断屑槽设计及优化方法，进一步的说，涉及一种基于屈强比的刀具断屑槽参数的理论计算和基于屈强比的断屑槽型选取、断屑槽型具体参数的优化方法。

背景技术

镍基高温合金因其较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力，常被用于飞机、船舶、车辆燃气轮机的关键的高温部件，如涡轮叶片、导向叶片和整体涡轮等；在加工过程中，如何使切屑快速高效的折断是众多学者研究的重点内容，尤其是塑性较高的合金材料，由于其高塑性的特点，在切削过程中生成的切屑韧性较高、不易折断。目前在生产加工中常用带有断屑槽的数控刀片来进行加工，而如今的断屑槽刀片结构形状较多，其中不乏各种形状的组合：比如凹凸曲面组合、直线与曲线的组合形式的断屑槽等等。

目前对于刀具断屑槽的设计没有一种可依据的具体理论方法，本发明方法作为刀具断屑槽的一种新型设计方法，意在以一种新设计方法来设计出一种新型断屑槽，可以实现高效、高质量的切削，对实际生产很有意义。本发明方法可以对切削过程中切屑难折断这一问题进行解决，切屑难以折断会使切削温度、切削力变高，不但划伤刀具以及工件的表面，还会加大刀具的磨损程度、减少刀具的使用寿命，对加工表面质量造成严重影响。本发明的关键是以被加工材料的屈强比为理论依据，在初始计算断屑槽参数时，通过改变断屑槽角度来提高切削过程中材料的屈强比；由于金属切削是一个复杂的工艺过程，ABAQUS的优势在于强大的非线性处理能力，能通过热力耦合分析步直接对切削过程进行准确的仿真分析。所以把ABAQUS有限元仿真软件作为辅助手段进行二维切削仿真模拟，通过对比不同槽型对切削过程中被加工材料屈强比的影响，优选出合适的槽型；在仿真结果中把切削过程中第一变形区的屈强比变化作为主要关注点，通过正交试验以及极差分析得出对材料屈强比影响显著性较大的因素，并优化出合适的断屑槽参数，最终得出一种适用于被加工材料的高效断屑刀具。

发明内容

目前对于刀具断屑槽的设计没有一种可依据的具体理论方法，本发明提供了一种基于屈强比的刀具断屑槽设计及优化方法，屈强比指屈服点，是材料屈服强度与抗拉强度的比值，屈强比越大，材料表现为脆性断裂，屈强比越小，材料表现为韧性断裂。针对切削加工过程中的断屑难问题，以常用断屑槽型为基础，在理论计算断屑槽参数时，通过改变断屑槽角度来提高切削过程中材料的屈强比；然后把ABAQUS有限元仿真软件作为辅助手段进行二维切削仿真模拟，对常见的断屑槽型刀具进行切削仿真，在仿真结果中把切削过程中第一变形区的屈强比变化作为主要关注点，优选出切削性能优异的断屑槽型，在通过正交试验以及极差分析得出对材料屈强比影响显著性较大的因素，并优化出合适的断屑槽参数，最终得出一种适用于被加工材料的高效断屑刀具。

本发明方法分为以下步骤：

步骤1、基于屈强比的刀具断屑槽参数初始设计，在理论计算中，切削过程中第一变形区的应变率与切削速度与刀具前角以及切屑的卷曲速率有关，因此在设计过程中通过计算刀屑接触长度，减小楞带宽度，使切屑能够快速流进断屑槽发生卷曲变形，再通过增大刀具前槽角度使第一变形区应变率增大，以此增大第一变形区的屈强比，当切屑流入断屑槽时，较大的屈强比会使材料在受到槽型的作用力时由韧性断裂转变为脆性断裂，使切屑更易折断。

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步骤2、基于屈强比的断屑槽型优选，通过ABAQUS有限元软件对常用槽型进行二维仿真切削，优选出切削过程中第一变形区被加工材料屈强比较大的槽型。

步骤3、基于屈强比的断屑槽参数优化，以断屑槽宽，刀尖楞带宽度以及断屑槽深为优化因素，以第一变形区的屈服应力，应变率，切削温度和切削力为评价指标设计正交试验，采用极差分析法分别对第一变形区的切削温度，屈服强度，应变率以及切削力试验数据进行处理，分别评价断屑槽刀尖楞带宽度，断屑槽宽度以及断屑槽深对上述四个评价指标的影响显著性，最后根据各个因素的极差值和评价指标的相关性确定圆弧型断屑槽参数的优选方案；

本发明的有益效果

本发明提出了一种基于屈强比理论的新型刀具断屑槽的设计及优化方法，首先基于屈强比对断屑槽尺寸参数得初始设计，然后基于屈强比对不同断屑槽型的刀具进行优选，最后基于屈强比对断屑槽具体参数进行优化，得出最优的参数组合。以此方法设计出的断屑槽刀具具备很好的断屑能力，可以实现高效、高质量的切削作业，本发明方法适用于加工任何一种材料。

附图说明

图1为本发明方法设计及优化流程图

图2为本发明中常见断屑槽形状示意图

图3为本发明ABAQUS有限元仿真二维切削模型示意图

图4为本发明ABAQUS有限元仿真刀具-工件装配图

图5为本发明切削仿真结果等效应力云图

图6为本发明切削仿真结果应变率云图

图7为本发明切削仿真结果温度云图

具体实施方式：

在具体实施方式中，以镍基高温合金GH4169材料为例，对本发明方法进行计算与优化：(1)对断屑槽尺寸参数进行初始计算，通过减小楞带宽度，使切屑快速流进断屑槽，充分利用断屑槽的槽型对切屑施加外力；根据切削过程中的应变率计算公式(4)，通过增大断屑槽前角来增大第一变形区的材料应变率，以此增大被加工材料第一变形区的屈强比，使切屑硬度增大，达到快速断裂的目的；

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表1理论断屑槽尺寸

(2)通过ABAQUS的部件模块建立刀具和工件的二维模型，再用装配模块将刀具和工件进行装配，装配图如附图3所示；

(3)在网格功能模块对刀具和工件进行网格划分，工件划分为四边形网格，刀尖采用单精度三角形网格加密划分，计算效果更好；选用explicit显示动力学分析，选择温度位移耦合分析；

(4)在属性功能模块赋予刀具和工件的属性，通过霍普金森压杆实验得出J-C本构模型各个参数，对切削层属性单独赋予，单独设置其断裂位移参数；

表2Johnson-Cook本构参数表

Inconel718断裂失效采用Johnson-Cook断裂准则，材料的失效断裂用标量ω来衡量，如公式所示，当等效塑性应变累计，并使ω的值等于1时，材料开始失效。

式中，

式中，

表3铝基体材料Johnson-Cook断裂准则失效参数

(5)在分析步模块设置分析步时间长度，设置半自动质量缩放系数50以提高计算速度，勾选需要输出的应力、应变、应变率、单元温度、切削力选项；

(6)在相互作用模块设置刀具与工件的接触方式以及接触属性，将刀具约束为刚体；

(7)在载荷模块约束工件的自由度，将工件下边与侧边完全固定，使之不能在进给方向移动，随后设置刀具的运动速度1000mm/min；

(8)在作业模块提交作业，等待求解完成查看结果；

(9)把三种切削加工常见断屑槽型刀具(如附图1所示)作为试验对象，以被加工材料第一变形区的屈强比为评价指标，优选出性能优异的断屑槽型。

(10)三种槽型刀具的等效应力云图如附图4所示，应变率云图如附图5所示，温度云图如附图6所示，我们从以上图中可以看出，圆弧型断屑槽刀具的切屑形态最好，切屑顺利流入断屑槽后又流出断屑槽，在使用圆弧型断屑槽刀具切削时，其被加工材料的应变率最大，切削温度最低，这会使被加工材料的屈强比增大，从而使切屑变脆、更易折断。因此以加工镍基高温合金GH4169为例，优选出的槽型为圆弧型断屑槽。

(9)以断屑槽宽L，刀尖楞带宽度br以及断屑槽深H为优化因素，以第一变形区的屈服应力，应变率，切削温度和切削力为评价指标设计三因素三水平的正交试验建立三因素三水平的正交试验：

表4因素水平表

表5试验方案表

表6正交试验结果

基于表所示的试验结果，采用极差分析法分别对第一变形区的切削温度，屈服强度，应变率以及切削力试验数据进行处理，分别评价断屑槽刀尖楞带宽度，断屑槽宽度以及断屑槽深对上述四个评价指标的影响显著性，最后根据各个因素的极差值K和评价指标的相关性确定圆弧型断屑槽参数的优选方案，分析结果如下：

表7切削温度极差分析

表8屈服应力极差分析

表9应变率极差分析

表10切削力极差分析

由上述分析过程可知，第一变形区的屈服强度和应变率越大，切削温度与切削力越小，被加工材料的屈强比越大，加工质量越好，切屑也更易折断；所以影响因素的优选值应该选屈服强度和应变率的k值最大水平，切削温度与切削力应该选k值最小水平。而对屈服强度，应变率以及切削温度影响最大的参数是断屑槽深H，对切削力影响最大的参数是刀尖楞带宽度b

本发明方法提供了一种基于屈强比的刀具断屑槽设计及优化方法，针对切削加工过程中的断屑难问题，以常用断屑槽型为基础，在理论计算断屑槽参数时，通过改变断屑槽角度来提高切削过程中材料的屈强比；然后把ABAQUS有限元仿真软件作为辅助手段进行二维切削仿真模拟，对常见的断屑槽型刀具进行切削仿真，在仿真结果中把切削过程中第一变形区的屈强比变化作为主要关注点，优选出切削性能优异的断屑槽型，在通过正交试验以及极差分析得出对材料屈强比影响显著性较大的因素，并优化出合适的断屑槽参数，最终设计出一种适用于被加工材料的高效断屑刀具。