CN106407526A - 一种微铣削过程刀具后刀面磨损预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种微铣削过程刀具后刀面磨损预测方法属于微铣削加工领域，涉及一种通过仿真建模推导微铣削过程刀具后刀面磨损的预测方法。该方法采用有限元仿真技术，通过对工件和刀具三维建模，考虑材料弹塑性本构关系，建立刀具工件摩擦类型、金属切削分离准则，输出有限元仿真不同切削参数下刀具轴向磨损值，再通过几何关系确定微铣刀后刀面磨损值，预测微铣削过程刀具磨损情况。预测方法实现了微铣削过程刀具后刀面磨损的精准预测，与微铣刀具磨损试验研究相比显著降低经济成本，操作简单，精度满足要求。

Description

一种微铣削过程刀具后刀面磨损预测方法

技术领域

本发明属于微铣削加工领域，涉及一种通过仿真建模推导微铣削过程刀具后刀面磨损的预测方法。

背景技术

随着科学技术的进步，航空航天等领域都出现了对于微小结构/零件的需求，微铣削技术是加工该类零件的有效手段。微铣削过程中，刀具磨损与传统铣削相比更严重，更容易产生崩刃、断裂等严重情况。因此有必要研究微铣削过程中刀具磨损情况。Thepsonthi等人发表的论文“3-D finite element process simulation of micro-end mi lling Ti-6Al-4V titanium alloy：Experiemntal validations on chip flow and tool wear，Journal of Materials Processing Technology 221:128-145.”，提出一种基于有限元仿真研究的微铣削过程刀具磨损研究，确定不同参数对于刀具磨损影响规律，但未对微铣削刀具后刀面磨损进行预测。杨凯等人发表的论文“微细铣削铅黄铜时微径铣刀的损伤研究，摩擦学学报，2008,28(5)：448-452.”，基于数值模拟方法建立三维微铣削加工模型，得到微铣削过程刀具磨损形态，但也未对微铣削刀具后刀面磨损进行预测。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，发明一种微铣削过程刀具后刀面磨损的预测方法，该方法采用有限元仿真技术，考虑材料的弹塑性本构关系，输出微铣刀具轴向磨损情况，再基于刀具磨损几何关系，实现一种微铣削过程刀具后刀面磨损的精准预测。与微铣刀具磨损试验研究相比显著降低经济成本，操作简单，精度满足要求。

本发明采用的技术方案是一种微铣削过程刀具磨损的预测方法，采用有限元仿真技术，其特征是，预测方法通过对工件和刀具三维建模，考虑材料弹塑性本构关系，建立刀具工件摩擦类型、金属切削分离准则，输出有限元仿真不同切削参数下刀具轴向磨损值，再通过几何关系确定微铣刀后刀面磨损值，预测微铣削过程刀具磨损情况，预测方法的具体步骤如下：

步骤1：测绘微铣刀几何结构、基于此建立微铣刀模型，导入DEFORM软件中，将其设置为刚体；

步骤2：建立三维微铣削工件模型，设置为弹塑性体；

步骤3：对模型进行网格划分，网格类型为四边元体，并将刀具及工件接触处切削区域的网格局部加密；

步骤4：采用Johnson-Cook本构模型模拟真实切削过程材料内流动应力与应变关系；

所述的工件材料的本构模型为：

式中，σ为Von-Mises流动应力；A为参考温度和参考应变速率下的屈服强度；B为应变强化系数；为等效塑性应变；n为应变硬化指数；C为应变速率硬化系数；为等效塑性应变率；为参考应变率；m为加热软化指数；T为工件温度；T_melt为材料融化温度；T_room为室温；

步骤5：材料损伤判据采用Normalized C&L，其表达式为公式(2)，即材料单元达到设定的临界值时，材料完全破坏，删除网格单元；

式中S为材料破坏临界值；为材料等效应变；σ^*为材料切削时的最大主应力；为材料等效应力；

步骤6：定义接触性质，微铣削过程中刀具与工件间存在两种类型接触，刀尖部位主要是粘结接触，后刀面与工件间主要是滑动接触，接触设置为：

粘结接触τ_f＝λk μp_i≥λk (3)

滑动接触τ_f＝μp_i μp_i＜λk (4)

其中，τ_f为摩擦应力；λ为剪切摩擦系数；k为剪切屈服应力；μ为库伦摩擦系数；p_i为接触面压力；

步骤7：定义边界条件，设置工件约束；设置刀具与工件之间热传导面及工件与环境之间热传导面；

步骤8：设置主轴转速、进给速度和切削深度；将计算设置为热力耦合模式，运行有限元模拟过程，输出微铣削过程刀具轴向磨损情况；

步骤9：基于几何关系确定微铣削过程刀具后刀面磨损与轴向磨损关系为公式(5)：

其中，VB为微铣刀后刀面磨损；a为微铣刀轴向磨损；α为微铣刀前角；β为微铣刀后角；r为微铣刀刃口圆弧半径；

步骤10：带入仿真所得到的微铣削过程刀具轴向磨损情况，得到微铣削过程刀具后刀面磨损值，通过建立微铣削有限元仿真模型和刀具磨损几何关系模型，实现微铣削过程刀具磨损预测。

本发明的显著效果是基于有限元仿真技术，考虑刀具磨损几何关系，为选择合理微铣削切削参数组合提供参考；与微铣刀磨损实验研究相比降低了经济成本，且操作简单。

附图说明

图1—微铣削刀具磨损预测方法流程图。

图2—微铣削刀具磨损情况几何关系图。图中，VB为微铣刀后刀面磨损；a为微铣刀轴向磨损；α为微铣刀前角；β为微铣刀后角；r为微铣刀刃口圆弧半径。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

考虑到微铣削过程中微铣刀具磨损情况严重，因而研究微铣削过程刀具磨损预测方法对优化微铣削加工工艺、提高加工质量具有重要作用。据此，针对微铣削过程刀具磨损预测难题，发明了一种微铣削过程刀具后刀面磨损预测方法。预测方法采用有限元仿真技术，通过对工件和刀具三维建模，考虑材料弹塑性本构关系，建立刀具工件摩擦类型、金属切削分离准则，输出有限元仿真不同切削参数下刀具轴向磨损值，再通过几何关系确定微铣刀后刀面磨损值，预测微铣削过程刀具磨损情况。

详细说明本发明实施过程：

以两刃平头铣刀微铣削直槽为例，采用日本NS公司MX230微铣刀，微铣刀刃口圆弧半径r为2μm、螺旋角30°，微铣刀前角α为2°，微铣刀后角β为9°，借助DEFORM软件进行仿真。

第一步：首先确定选用的工件材料为镍基高温合金718，其材料参数性能为密度：8470kg/m³；硬度：39～45HRC；弹性模量：206GPa；泊松比：0.3；热导率：11.2W/m·K；屈服应力：1110MPa；应变率：23.3％；抗拉强度：965MPa。

第二步：根据选择的刀具，测绘并构建模型，导入DEFORM软件中，设置为刚体，划分网格40000个，在与工件接触的切削区域使用网格局部加密，采用四边元体网格类型。模型工件为阶梯状半环形体，设置为弹塑性材料。网格类型采用四边元体，在与刀具接触的切削区域使用网格局部加密，共划分100000个网格。在有限元模型中创建工件材料镍基高温合金718，并根据上述材料性能参数定义。

第三步：金属塑性行为采用Johnson-Cook本构模拟，在公式

(1)中参数依次取为：参考温度和参考应变速率下的屈服强度A为1241MPa；应变强化系数B为622MPa；应变速率硬化系数C为0.0134；加热软化指数m为1.3；应变硬化指数n为0.6522；室温T_room为20°。

第四步：材料损伤判据为Normalized C&L断裂准则，根据公式(2)计算得到S，S＝0.2。

第五步：设置接触性质，依据公式(3)、(4),设置剪切摩擦系数λ为0.9；设置库伦摩擦系数μ为0.7。定义边界条件，将工件侧面及底面自由度严格约束，设刀具工件间热传导系数为10⁷kWm^-2K^-1；设工件与环境间热传导系数为45kWm^-2K^-1。

第六步：设置刀具主轴转速为60000rpm；设置每齿进给量为1.1μm/z；轴向切削深度为35μm。选择热力耦合计算模式，运行有限元模拟过程，输出微铣削过程刀具磨损情况。

第七步：根据仿真结果输出，得到微铣削过程刀具轴向磨损率为0.55μm/s；将其带入刀具磨损几何关系公式(5)并根据切削时间就可以得到微铣削过程刀具后刀面磨损值。

将刀具主轴转速为60000rpm；设置每齿进给量为1.1μm/z；轴向切削深度为35μm条件下微铣削过程刀具后刀面磨损预测值与测量值进行对比，如表1所示。

表1微铣削过程刀具后刀面磨损预测值与测量值对比

通过表1对于微铣削过程预测值与测量值的比较可知，本发明提出的一种微铣削过程刀具后刀面磨损预测方法可以很好地预测微铣削过程中刀具的后刀面磨损值，满足精度要求。

本发明基于有限元仿真技术，考虑刀具磨损几何关系，为选择合理微铣削切削参数组合提供参考，与微铣刀具磨损试验研究相比显著降低经济成本，操作简单，精度满足要求。

Claims (1)

1.一种微铣削过程刀具磨损的预测方法，采用有限元仿真技术，其特征是，预测方法通过对工件和刀具三维建模，考虑材料弹塑性本构关系，建立刀具工件摩擦类型、金属切削分离准则，输出有限元仿真不同切削参数下刀具轴向磨损值，再通过几何关系确定微铣刀后刀面磨损值，预测微铣削过程刀具磨损情况；预测方法的具体步骤如下：

步骤1：测绘微铣刀几何结构、基于此建立微铣刀模型，导入DEFORM软件中，将其设置为刚体；

步骤2：建立三维微铣削工件模型，工件设置为弹塑性体；

步骤3：对模型进行网格划分，网格类型为四边元体，并将刀具及工件接触处切削区域的网格局部加密；

步骤4：采用Johnson-Cook本构模型模拟真实切削过程材料内流动应力与应变关系；工件材料的本构模型为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\[A+B{\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^n\]\[1+Cln\left(\frac{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}}{{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}}_0}\right)\]\[1-{\left(\frac{T-T_{room}}{T_{melt}-T_{room}}\right)}^m\]---\left(1\right)$

式中，σ为Von-Mises流动应力；A为参考温度和参考应变速率下的屈服强度；B为应变强化系数；为等效塑性应变；n为应变硬化指数；C为应变速率硬化系数；为等效塑性应变率；为参考应变率；m为加热软化指数；T为工件温度；T_melt为材料融化温度；T_room为室温；

步骤5：材料损伤判据采用Normalized C&L，其表达式为公式(2)，即材料单元达到设定的临界值时，材料完全破坏，删除网格单元；

$C={\∫}_0^{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}d\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}---\left(2\right)$

式中，C为材料破坏临界值；为材料等效应变；σ^*为材料切削时的最大主应力；为材料等效应力；

步骤6：定义接触性质，微铣削过程中刀具与工件间存在两种类型接触，刀尖部位主要是粘结接触，后刀面与工件间主要是滑动接触，因此接触设置为：

粘结接触τ_f＝λk μp_i≥λk (3)

滑动接触τ_f＝μp_i μp_i＜λk (4)

其中，τ_f为摩擦应力；λ为剪切摩擦系数；k为剪切屈服应力；μ为库伦摩擦系数；p_i为接触面压力；

步骤7：定义边界条件，设置工件约束；设置刀具与工件之间热传导面及工件与环境之间热传导面；

步骤8：设置主轴转速、进给速度和切削深度；将计算设置为热力耦合模式，运行有限元模拟过程，输出微铣削过程刀具轴向磨损情况；

步骤9：基于几何关系确定微铣削过程刀具后刀面磨损与轴向磨损关系为公式(5)：

$VB=\[a+r(\frac{1}{sin\mathrm{\β}}+\frac{1}{\cos \mathrm{\α}})\left(\frac{1}{tan\mathrm{\α}+\frac{1}{tan\mathrm{\β}}}\right)-r\]\·(tan\mathrm{\α}+\frac{1}{tan\mathrm{\β}})---\left(5\right)$

其中，VB为微铣刀后刀面磨损；a为微铣刀轴向磨损；α为微铣刀前角；β为微铣刀后角；r为微铣刀刃口圆弧半径；

步骤10：带入仿真所得到的微铣削过程刀具轴向磨损情况，得到微铣削过程刀具后刀面磨损值，通过建立微铣削有限元仿真模型和刀具磨损几何关系模型，实现微铣削过程刀具磨损预测。