CN108256244A - 一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法 - Google Patents

一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，该方法首先建立用于描述切削加工过程中涂层刀具温度变化的热模型，其次分别计算从前刀面进入刀具的热流密度和由于后刀面磨损进入刀具的热流密度，并通过切削实验数据评估热交换系数用于确定进入切屑和刀具的热流分配比例，进而仿真预测不同刀具状态下的刀具瞬时温度分布。本发明易于实现涂层刀具磨损状态下的刀具温度精确预测，并通过优化工艺参数延长刀具使用寿命，提升零件加工表面质量。

Description

一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法
技术领域
本发明属于金属切削加工技术领域，具体涉及一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法。
背景技术
涂层刀具被广泛应用于钛合金、高温合金等难加工材料的切削加工。针对这类难加工材料，其切削过程中一个显著的现象是频繁的刀具磨损，从而影响加工效率和零件加工表面质量。在实际切削加工过程中，由于缺乏刀具磨损在线监测装置及方法，工程技术人员为降低不可预见的风险往往选择低主轴转速、小切深这样非常保守的切削参数，工艺参数优化“被动”依赖操作人员经验。
在理论研究层面，目前对涂层刀具的研究很少涉及刀具涂层/基体扩散层对切削热传导的影响，而切削区域产生的高温被认为是刀具和工件发生化学或扩散反应的主要原因，继而加剧刀具磨损。此外，对涂层刀具的热建模主要是基于锋利刀具来建立传热模型，却很少考虑后刀面磨损状态下的刀具温度分布。因此，有必要在充分考虑刀具后刀面磨损的基础上，建立涂层刀具热模型，并通过数值仿真的方法指导加工工艺参数优化和刀具选择，最终提升零件加工效率与加工质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，它可以通过实测的切削力数据快速评判涂层刀具磨损状态下的刀具温度分布，并通过优化工艺参数延长刀具使用寿命，提升零件加工表面质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，该方法首先建立用于描述切削加工过程中涂层刀具温度变化的热模型，其次分别计算从前刀面进入刀具的热流密度和由于后刀面磨损进入刀具的热流密度，并通过切削实验数据评估热交换系数用于确定进入切屑和刀具的热流分配比例，进而仿真预测不同刀具状态下的刀具稳态温度场分布。
按上述技术方案，进一步，所述涂层刀具的热模型是一个二维热传导物理模型，该热模型基于从前刀面进入刀具的热流密度，以及由于后刀面磨损进入刀具的热流密度，然后在直角坐标系下，建立涂层刀具稳态热传导微分方程。
按上述技术方案，进一步，所述从前刀面进入刀具的热流密度计算主要遵循金属切削变形区的热成生与耗散规律，并通过解析计算、试验和数值计算相结合的方法确定热交换系数。
按上述技术方案，进一步，所述由于后刀面磨损进入刀具的热流密度计算主要基于Smithey等提出的磨损刀具切削力模型，并根据滑移线理论求解后刀面的应力分布，从而计算得到。
按上述技术方案，进一步，所述切削实验数据包括切削力和切削温度，所述热交换系数是指前刀面刀-屑接触面之间的热交换系数，该系数大小决定了进入切屑和刀具的热流分配比例。
按上述技术方案，进一步，所述仿真预测刀具稳态温度场分布是指通过确定的热交换系数，采用数值建模的仿真估算刀具稳态温度场。
按上述技术方案，进一步，所述二维热传导物理模型是在Matlab软件中建立，并将刀具假设为一个长方形，然后将切削热流密度施加在刀具的前刀面和后刀面上，所述涂层刀具稳态热传导微分方程包括热传导偏分方程、外部边界条件和连续性条件。
按上述技术方案，进一步，所述金属切削变形区包括第一变形区、第二变形区和第三变形区，其中第一变形区指切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区、第二变形区指产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成的变形区、第三变形区指已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形和回弹，造成纤维化与加工硬化的变形区。
本发明产生的有益效果是：本发明通过实测的切削力数据快速评判涂层刀具磨损状态下的刀具温度分布，对于优化切削加工工艺参数提升加工效率，以及监测刀具磨损状态指导操作人员及时换刀，最终保证零件加工表面质量具有切实可行的工程应用意义。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明建模思路框架图；
图2为本发明考虑后刀面磨损的涂层刀具热传导物理模型；
图3为本发明切削过程中热生成与耗散示意图；
图4为本发明确定热交换系数流程图；
图5为本发明刀具后刀面应力分布示意图；
图6为本发明实施例中变进给率条件下测量的切削力；
图7为本发明实施例中测量的刀具温度；
图8为本发明实施例中预测的刀具温度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，包括如下步骤：(1)建立用于描述切削加工过程中涂层刀具温度变化的热模型，(2)计算从前刀面进入刀具的热流密度，(3)计算由于后刀面磨损进入刀具的热流密度，(4)通过切削实验数据评估热交换系数用于确定进入切屑和刀具的热流分配比例，进而仿真预测不同刀具状态下的刀具稳态温度场分布。
针对步骤(1)，如图2所示，利用Matlab软件建立考虑后刀面磨损的切削刀具二维热传导物理模型，其中：切削热流密度qrake施加在前刀面上的刀-屑接触区(0≤y≤y1)，它是第一变形区、第二变形区产生的热量传导到刀具的部分，切削热流密度qflank施加在后刀面上的刀具磨损区(0≤x≤x1)，它是第三变形区产生的热量传导到刀具的部分。另外，刀片与空气的对流换热系数为h0，刀片与刀柄的对流换热系数为h1，x和y分别为切削刀具二维热传导物理模型在二维坐标系两个方向的值，其中O为原点。
由于材料的热特性参数随温度变化：设刀片材料的导热系数为k(T)，其中kc为涂层导热系数，ks为刀具基体导热系数。假设刀具涂层和基体之间结合良好，没有附加热阻产生；刀具体内部不产生热量；环境温度为T∞。在直角坐标系下，建立涂层刀具稳态热传导微分方程如下：
热传导偏分方程
外部边界条件
连续性条件
Tc(x0,t)＝Ts(x0,t) 公式(8)
Tc(y0,t)＝Ts(y0,t) 公式(9)
上述公式中，x0，y0分别表示切削刀具前刀面、后刀面涂层厚度在二维坐标系两个方向的值，t表示时间，T表示刀具上的温度，Tc表示刀具上涂层温度，Ts表示刀具基体温度。
公式(8)和公式(9)表示刀具涂层-基体接触面的温度相等，公式(10)和公式(11)表示其对应的热流密度是连续的。
针对步骤(2)，如图3所示，进入刀具的总热量Q1可由式(12)确定：
Q1＝QpRch+Qs 公式(12)
式中，Qp为第一变形区产生的热量，Qs为第二变形区产生的热量，Rch为第一变形区进入切屑的热量分配比。
因此，进入刀具的总热流密度为：
qt＝Q1/Ac 公式(13)
式中，Ac为刀-屑接触面积。
Qp、Fc和vc三者之间的关系如下：
Qp＝Fc·vc 公式(14)
式中，Fc为切削力，vc为切削速度。
第一变形区进入切屑的热量分配比可表示如下：
式中，hw为切屑变形前的厚度，γsh为第一变形区的剪应变。
γsh＝cotφn+tan(φn-αn) 公式(16)
这里αn为刀具法向前角，φn为刀具法向剪切角。
摩擦力Fγ和正压力FγN分别由下式确定：
Fγ＝Fxsinαn+Fycosαn 公式(17)
FγN＝Fxcosαn-Fysinαn 公式(18)
上式中，Fx为刀具的垂直分力，Fy为刀具的进给分力。
第二变形区产生的热量可表达为：
Qs＝Fγvch＝Fγvc/λh 公式(19)
式中，λh是切屑变形系数，即切屑变形后的厚度与切屑变形前的厚度的比值。
考虑到刀-屑接触面间的切屑表面温度近似独立于热交换系数h，因此在计算被切屑带走的热量过程中只考虑h的物理特性。切屑带走的热量由式(20)计算得到，即：
Q2＝h·Ac(Tt-c-Tc) 公式(20)
式中，h为刀-屑对流换热系数，Ac为刀-屑接触面积，Tt-c为刀-屑接触面处刀具的平均温度。
一旦确定了Q1和Q2，实际进入刀具的热量为：
Q＝Q1-Q2 公式(21)
最后，从前刀面进入刀具的热流密度为：
qrake＝Q/Ac 公式(22)
针对步骤(3)，如图4所示，当刀具后刀面发生磨损后，刀具与已加工表面之间的摩擦将产生热量。沿着后刀面，由摩擦所产生的热流为：
qf＝Fcwvc 公式(23)
其中，后刀面摩擦力Fcw可以通过Smithey等提出的磨损刀具力模型计算得到。
公式(24)中的σ0和τ0为刀尖处法向应力与剪切应力，可以通过滑移线场计算得到。
其中，
ηp是稳定积屑瘤上的滑移线场角度，ηw是后刀面磨损区域上的滑移线场角度，γ是切屑应变，变量mp是刀具切削刃处的摩擦因子，等于切削刃处的剪切应力与工件剪切流动应力K的比值。由于刀具切削刃处接触面的粘接性质，Waldorf等假设mp趋于统一。变量ρ为刀具前方的耕犁角，如果未变形切屑厚度与切宽的比值大于5％，耕犁角可以忽略不计，本实施例中取值0.8。此外，mw为后刀面磨损处摩擦引起的滑移线场角，类似于切削刃处的摩擦因子，同样近似于统一，本实施例中取mp＝mw＝0.9，这符合Smithey等实验条件。
通过变形切厚和未变形切厚的几何关系，可以确定实验剪切角。
上式中，tu是未变形切屑厚度，tc表示变形切屑厚度。
Oxley模型给出了实验剪切流动应力值，如公式(28)所示。
式中，w是切宽，φ为剪切角，表示锥角，L是刀具切削刃宽度。工件和刀具间的摩擦系数μ等同于前刀面与切屑之间的摩擦系数。因此，摩擦系数μ可以通过锋利刀具状态下的摩擦力Fs和法向力Fn来进行求解。公式(30)和(31)给出了垂直和平行于剪切面的切削力。
μ＝Fs/Fn 公式(29)
上式中，k为刀具热导系数。
考虑几何关系，对于滑移线场，远场角为：
θ＝π/2-ρ-φ 公式(32)
图4中，VB为后刀面磨损值，VB*为后刀面临界磨损值，一般认为该值达到0.3mm时，刀具不能再继续使用。进入工件的摩擦热量分配比Rfw可根据Berliner和Krainov提出的模型来进行求解。
皮克列数Pe由公式(34)确定。
其中αt为刀具材料的热扩散率。
因此，由于刀具后刀面磨损所进入刀具的热流计算如下：
qflank＝(1-Rfw)qf 公式(35)
针对步骤(4)，如图5所示，要估算进入刀具的热流，必须先确定h值。采用解析计算、试验、数值计算相结合的方法确定对流换热系数，步骤如下：
1)利用公式(12)，计算出切削过程中进入刀具的总热量Q1。将实际测量得到的刀-屑接触面积Ac和计算得到的Q1，带入公式(13)得到进入刀具的总热流密度qt；
2)假设刀具与切屑的热交换系数h为某一数值(尝试性地选择一数值)；
3)在Matlab软件的偏微分方程工具箱中，建立二维刀具模型，利用已建立的热传导方程将所采用的刀具实际物理参数输入热传导方程；
4)在Matlab中已经建立的二维刀具模型上，将热交换系数h1施加在刀具与刀杆接触的边界上。将计算得到的热流密度q0和由上一步设定的刀-屑热交换系数h施加在刀-屑接触长度上，作为刀-屑接触区刀具的边界条件。最后将刀具模型划分网格，通过数值计算得到刀具的温度分布；
5)将数值计算得到的前刀面温度与实际测量值进行比较，如果误差在1％以上，则改变热交换系数h的数值，对h数值的改变视误差值的大小而定。如果误差比较大(如大于100℃)，则h的数值变化大一些(如变化步长为1×104W/(m2·K))，否则h的数值变化小一些(如变化步长为1×103W/(m2·K))。重复步骤3)，4)，5)直至误差在1％以内。
下面通过一个具体的实例来进一步说明本发明。
采用Starragheckert LX 151五轴数控机床铣削加工镍基高温合金Inconel 718叶片，叶片基尺寸为397mm×113.4mm×26.2mm。加工刀具为直径10mm的四齿球头刀，刀具基体为硬质合金，涂层为单层4μm厚的氮化钛铝(TiAlN)。加工过程中的切削力通过安装在机床主轴上的旋转测力仪Kistler 9123C测量，切削温度通过型号HY-2688红外热像仪测量。由于叶片为复杂曲面，其进排气边曲率变化极大，因此切削参数选择切削速度35m/min，轴向切深0.5mm，以及变进给速度445-900mm/min。另外，查阅文献，刀具涂层、刀具基体和叶片的热传导率分别为：kc(T)＝0.0081T+11.95，ks(T)＝0.042T+35.95，kw(T)＝0.013T+10.65，刀具-空气、刀具-刀柄间热交换系数分别为：h0＝20，h1＝4971。所有加工在干切条件下进行。
图6为变进给率条件下测量的切削力。可以发现切削力波动较大，当加工过程经历15个周期后，刀具发生断裂，并观察到严重的刀具磨损。根据图6所获得的切削力数据，计算得到在加工叶片叶背时前刀面热流密度qrake＝2.3×108W/m2、后刀面热流密度qflank＝1.3×107W/m2，再结合图7实验测量的切削温度，公式(36)给出了当后刀面磨损值达到其临界值0.3mm时，由统计回归方法拟合的热交换系数h的表达式。
h＝-2.668×102Tt+6.404×10-4qtotal-t+8.499×104 公式(36)
式中，Tt为测量的刀-屑接触面温度，qtotal-t等于从前刀面进入刀具的热流qrake和由于后刀面磨损进入刀具的热流qflank的总和。
根据拟合的热交换系数，进一步在Matlab软件中进行仿真，预测涂层刀具稳态温度场分布，如图8所示，可以发现：当后刀面刀具磨损达到临界值0.3mm时，由于来自前刀面和后刀面磨损的两种热流的共同影响，刀-屑接触面间的最高温度的位置趋近于刀尖。在叶背处的温度仿真结果与实验获得的数据较为吻合，相对误差小于10％，说明通过本发明方法能有效预测后刀面磨损状态下的刀具稳态温度场分布，且预测精度较高。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：该方法首先建立用于描述切削加工过程中涂层刀具温度变化的热模型，其次分别计算从前刀面进入刀具的热流密度和由于后刀面磨损进入刀具的热流密度，并通过切削实验数据评估热交换系数用于确定进入切屑和刀具的热流分配比例，进而仿真预测不同刀具状态下的刀具稳态温度场分布。
2.根据权利要求1所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述涂层刀具的热模型是一个二维热传导物理模型，该热模型基于从前刀面进入刀具的热流密度，以及由于后刀面磨损进入刀具的热流密度，然后在直角坐标系下，建立涂层刀具稳态热传导微分方程。
3.根据权利要求1所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述从前刀面进入刀具的热流密度计算主要遵循金属切削变形区的热成生与耗散规律，并通过解析计算、试验和数值计算相结合的方法确定热交换系数。
4.根据权利要求1所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述由于后刀面磨损进入刀具的热流密度计算主要基于Smithey等提出的磨损刀具切削力模型，并根据滑移线理论求解后刀面的应力分布，从而计算得到。
5.根据权利要求1所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述切削实验数据包括切削力和切削温度，所述热交换系数是指前刀面刀-屑接触面之间的热交换系数，该系数大小决定了进入切屑和刀具的热流分配比例。
6.根据权利要求1所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述仿真预测刀具稳态温度场分布是指通过确定的热交换系数，采用数值建模仿真的方法来估算刀具稳态温度场。
7.根据权利要求2所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述二维热传导物理模型是在Matlab软件中建立，并将刀具假设为一个长方形，然后将切削热流密度施加在刀具的前刀面和后刀面上，所述涂层刀具稳态热传导微分方程包括热传导偏分方程、外部边界条件和连续性条件。
8.根据权利要求3所述的一种考虑后刀面磨损的涂层刀具稳态温度场预测方法，其特征在于：所述金属切削变形区包括第一变形区、第二变形区和第三变形区，其中第一变形区指切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区、第二变形区指产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成的变形区、第三变形区指已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形和回弹，造成纤维化与加工硬化的变形区。
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