CN104985206B - 一种金属切削刀具织构结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属切削刀具织构结构，包括刀具（1），在刀具（1）的前刀面（4）上设有织构（2），所述织构（2）的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为‑25°~25°。本发明不仅可以降低切削力和切削温度，而且降温效果更佳。

Description

一种金属切削刀具织构结构
技术领域
本发明涉及一种织构结构，特别是一种金属切削刀具织构结构。
背景技术
对于金属材料的切削加工，切削温度高是制约其加工效率的关键因素。微织构刀具是指在刀具前刀面和断屑槽上加工出微米级的沟槽型织构，依此进行切削，减小了刀屑接触面积，增大了刀具接触压力，可能使织构顶部接触劣化，增大了摩擦磨损；另一方面，减少了刀屑接触面积和时间，致使热源流入刀具部分减少，进而降低切削温度；同时，要考虑织构在加工过程中，由于切屑底部金属在织构的冷焊积屑，导致织构消失，致使织构失效，甚至负的效果。
中国专利“申请号：CN201110089826”报道了一种微织构自润滑钻头及其制备方法，它采用激光加工技术在钻头前刀面刀屑接触区加工出微孔和微型凹槽，并在孔和凹槽中填充固体润滑剂，以实现钻头自润滑。中国专利“申请号：CN201110353909”报道了WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法，它采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀屑接触区域加工出月牙洼形的条状沟槽纳米级织构，并在纳织构表面采用中频磁控溅射沉积和多弧离子镀法沉积Zr过渡层和WS2软涂层，以使刀具具有软涂层自润滑和纳织构自润滑双重自润滑效用，从而降低切削力和切削温度。
现有降温的方法中，即使能达到降低刀具温度和切削力的目的，但是降温效果不太明显。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种金属切削刀具织构结构。本发明不仅可以降低切削力和切削温度，而且降温效果更佳。
本发明的技术方案：一种金属切削刀具织构结构，包括刀具，在刀具的前刀面上设有织构，所述织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°。
前述的金属切削刀具织构结构中，包括刀具，在刀具的前刀面上设有织构，所述织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-15°~15°
前述的金属切削刀具织构结构中，包括刀具，在刀具的前刀面上设有织构，所述织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角为0°。
前述的金属切削刀具织构结构中，所述的刀具的前刀面设有断屑槽，所述断屑槽上设有织构。
前述的金属切削刀具织构结构中，所述织构的方向与刀具切屑的流出方向一致。
前述的金属切削刀具织构结构中，所述织构为矩形沟槽型织构。
前述的金属切削刀具织构结构中，在直角切削时，切屑沿刀刃法向流出，即流屑角ψλ=0°；在其它方式切削时，其计算公式如下：
式中，k值在0.9~1之间，副偏角，εr为刀尖角，λs为刃倾角，kr为主偏角，αp为切削深度，f为进给量。
与现有技术相比，本发明的基本原理是让织构的方向尽可能与刀具切屑的流出角方向一致，这样不仅可以降低切削力和切削温度，而且降温效果更佳。
本发明进行了大量的实验研究，以下为本发明实验研究的结果：
针对42CrMo、GH4169、TC4、45钢和7050铝合金材料，选用不同的织构方向和矩形织构截面形状，采用切削软件Third Wave AdvantEdge进行模拟仿真来说明实验效果。加工使用的55°菱形刀片后角α0为0°、前角γ为15°、刀片厚6.35mm、刀尖半径为0.4mm，刀体前角γ为-6°、刃倾角λ5为-7°、主偏角kr为93°；工件转速n为600r/min、切削深度ap为1.5mm、进给量f为0.3mm；零件直径为φ90mm、42CrMo材料硬度为HB314、GH4169材料硬度为HB409、TC4材料硬度为HB268、45钢材料硬度为HB280和7050铝合金材料硬度为HB194。
实验例1：针对42CrMo高强度合金钢，基于AdvantEdge的三维干切削仿真，分析各刀具模型温度云图如图6-图9所示，并研究各微织构对加工刀具温度和切削合力的影响情况如图10和图11所示，其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；而对无织构刀具仿真得刀具最高温度是1145℃、切削合力是2512N；并分析图6-图11时发现，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了33.66%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了25%。
实验例2：针对GH4169高强度高温合金钢，基于AdvantEdge的三维干切削仿真，分析各刀具模型温度云图如图12-图15所示，并研究各微织构对加工刀具温度和切削合力的影响情况如图16和图17所示，其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；而对无织构刀具仿真得刀具最高温度是1130℃、切削合力是2650N；并分析图12-图17时发现，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了26.82%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了19%。
实验例3：针对TC4钛合金，基于AdvantEdge的三维干切削仿真，分析各刀具模型温度云图如图18-图21所示，并研究各微织构对加工刀具温度和切削合力的影响情况如图22和图23所示，其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；而对无织构刀具仿真得刀具最高温度是900℃、切削合力是1263N；并分析图18-图23时发现，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了24.51%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了15%。
实验例4：针对45钢，基于AdvantEdge的三维干切削仿真，分析各刀具模型温度云图如图24-27所示，并研究各微织构对加工刀具温度和切削合力的影响情况如图28和图29所示，其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；而对无织构刀具仿真得刀具最高温度是900℃、切削合力是1872N；并分析图24-图29时发现，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了34.31%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了25%。
实验例5：针对7050铝合金，基于AdvantEdge的三维干切削仿真，分析各刀具模型温度云图如图30-图33所示，并研究各微织构对加工刀具温度和切削合力的影响情况如图34和图35所示，其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；而对无织构刀具仿真得刀具最高温度是303℃、切削合力是655N；并分析图30-图35时发现，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了18.65%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了9%。
实验例6：对42CrMo材料仿真分析得到的仿真温度云图如图36-图40所示，织构方向对加工刀具温度和切削力的影响如图41-图42所示。对无织构刀具仿真得刀具最高温度是1145℃、切削合力是2512N。分析图36-图42时发现，其中，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了33.66%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了25%。其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°；
实验例7：对GH4169材料仿真分析得到的仿真温度云图如图43-图47所示，织构方向对加工刀具温度和切削力的影响如图48-图49所示。对无织构刀具仿真得刀具最高温度是1130℃、切削合力是2650N。分析图43-图49时发现，沿流屑方向微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，其切削合力降低了26.82%；虽然刀具最高温度相差不大，但根据等温线分布，可知有效降低了温度分布，其平均温度降低了19%，其中，织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°。
综上所述：织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°时，研究发现沿流屑方向的微织构刀具切削时刀具最高温度最低、切削合力最小，即织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角为0°；而织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°时，也得到同样的结论，且在此范围内刀具温度与切削合力变化趋势明显，此范围可用于研究刀具上设置织构角度对刀具温度、切削合力的影响。织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-15°~15°时，织构角度对刀具温度、切削合力的影响更为明显。
附图说明
图1是织构方向与流屑方向夹角示意图；
图2是刀具的结构示意图；
图3是图2中B的局部放大图；
图4是图2中沿A-A方向的剖面示意图；
图5是织构的截面示意图；
图6是切削42CrMo时无织构刀具模型仿真温度云图；
图7是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为-25°时的刀具模型仿真温度云图；
图8是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图9是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为25°时的刀具模型仿真温度云图；
图10是切削42CrMo时各微织构对刀具最高温度的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；
图11是切削42CrMo时各微织构对刀具切削合力的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；
图12是切削GH4169时无织构刀具模型仿真温度云图；
图13是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为-25°时的刀具模型仿真温度云图；
图14是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图15是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为25°时的刀具模型仿真温度云图；
图16是切削GH4169时各微织构对刀具最高温度的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；
图17是切削GH4169时各微织构对刀具切削合力的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-25°~25°；
图18是切削TC4时无织构刀具模型仿真温度云图；
图19是切削TC4时微织构与流屑方向夹角为-25°时的刀具模型仿真温度云图；
图20是切削TC4时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图21是切削TC4时微织构与流屑方向夹角为25°时的刀具模型仿真温度云图；
图22是切削TC4时各微织构对刀具最高温度的影响情况；
图23是切削TC4时各微织构对刀具切削合力的影响情况；
图24是切削45钢时无织构刀具模型仿真温度云图；
图25是切削45钢时微织构与流屑方向夹角为-25°时的刀具模型仿真温度云图；
图26是切削45钢时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图27是切削45钢时微织构与流屑方向夹角为25°时的刀具模型仿真温度云图；
图28是切削45钢时各微织构对刀具最高温度的影响情况；
图29是切削45钢时各微织构对刀具切削合力的影响情况；
图30是切削7050铝合金时无织构刀具模型仿真温度云图；
图31是切削7050铝合金时微织构与流屑方向夹角为-25°时的刀具模型仿真温度云图；
图32是切削7050铝合金时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图33是切削7050铝合金时微织构与流屑方向夹角为25°时的刀具模型仿真温度云图；
图34是切削7050铝合金时各微织构对刀具最高温度的影响情况；
图35是切削7050铝合金时各微织构对刀具切削合力的影响情况；
图36是切削42CrMo时无织构刀具模型仿真温度云图；
图37是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为-45°时的刀具模型仿真温度云图；
图38是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图39是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为45°时的刀具模型仿真温度云图；
图40是切削42CrMo时微织构与流屑方向夹角为90°时的刀具模型仿真温度云图；
图41是切削42CrMo时各微织构对刀具最高温度的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°；
图42是切削42CrMo时各微织构对刀具切削合力的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°；
图43是切削GH4169时无织构刀具模型仿真温度云图；
图44是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为-45°时的刀具模型仿真温度云图；
图45是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为0°时的刀具模型仿真温度云图；
图46是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为45°时的刀具模型仿真温度云图；
图47是切削GH4169时微织构与流屑方向夹角为90°时的刀具模型仿真温度云图；
图48是切削GH4169时各微织构对刀具最高温度的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°；
图49是切削GH4169时各微织构对刀具切削合力的影响情况；织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角范围为-75°~90°。
附图中的标记为：1-刀具，2-织构，3-断屑槽，4-前刀面。
具体实施方式
实施例1。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向一致，即织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为0°。
所述的刀具1的前刀面4设有断屑槽3，所述断屑槽3上设有织构2。
所述的织构2为矩形沟槽型织构。
在切削塑性金属的过程中，由于切屑和刀具前刀面之间会产生非常大的压力，几乎能达到2~3GPa，刀屑挤压摩擦时会产生上千度的高温，可使切屑底部与刀具前刀面间发生粘结。减少切屑对刀具的力与热的作用，对于提高刀具性能至为重要。
本发明的沟槽型织构截面形状为矩形，如图5所示。如图1所示，刀具1的前刀面4上箭头方向为刀具切屑的流出方向，以箭头方向的顺时针为正，逆时针为负，图中箭头方向两侧的角度范围θ即为织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角。且流屑角与刀具的几何角度、被加工材料的性能和加工工艺参数等因素相关，是刀具切削过程的一个综合阐述。在直角切削时，切屑沿刀刃法向流出，即流屑角ψλ=0°；在其它方式切削时，其计算公式如下：
式中，k值随材料、切削条件和工件转速n的不同在0.9~1之间变化，低速时趋近1，这里取0.95；k值按常规方法进行确定。
副偏角，εr为刀尖角，λs为刃倾角，kr为主偏角，n为工件转速，αp为切削深度，f为进给量。
同时，为保证织构区域包含全部刀屑接触区域，使织构建模长度应大于刀具切削深度αp，其宽度应大于刀屑接触长度。
实施例2。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为-25°。其余同实施例1。
实施例3。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为25°。其余同实施例1。
实施例4。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为10°。其余同实施例1。
实施例5。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为-10°。其余同实施例1。
实施例6。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为15°。其余同实施例1。
实施例7。一种金属切削刀具织构结构，构成如图1-图4所示，包括刀具1，在刀具1的前刀面4上设有织构2，所述织构2的方向与刀具切屑的流出方向夹角为-15°。其余同实施例1。

Claims (3)

1.一种金属切削刀具织构结构，其特征在于：包括刀具（1），在刀具（1）的前刀面（4）上设有织构（2），所述织构（2）的方向与刀具切屑的流出方向夹角为0°；在直角切削时，切屑沿刀刃法向流出，即流屑角ψλ=0°；在其它方式切削时，其计算公式如下：
式中，k值在0.9~1之间，副偏角，εr为刀尖角，λs为刃倾角，kr为主偏角，αp为切削深度，f为进给量。
2.根据权利要求1所述的金属切削刀具织构结构，其特征在于：所述的刀具（1）的前刀面（4）设有断屑槽（3），所述断屑槽（3）上设有织构（2）。
3.根据权利要求1 所述的金属切削刀具织构结构，其特征在于：所述织构（2）为矩形沟槽型织构。
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