本發(fā)明屬于微銑削加工領(lǐng)域，涉及一種通過仿真建模推導(dǎo)微銑削過程刀具后刀面磨損的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，航空航天等領(lǐng)域都出現(xiàn)了對于微小結(jié)構(gòu)/零件的需求，微銑削技術(shù)是加工該類零件的有效手段。微銑削過程中，刀具磨損與傳統(tǒng)銑削相比更嚴重，更容易產(chǎn)生崩刃、斷裂等嚴重情況。因此有必要研究微銑削過程中刀具磨損情況。Thepsonthi等人發(fā)表的論文“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.”，提出一種基于有限元仿真研究的微銑削過程刀具磨損研究，確定不同參數(shù)對于刀具磨損影響規(guī)律，但未對微銑削刀具后刀面磨損進行預(yù)測。楊凱等人發(fā)表的論文“微細銑削鉛黃銅時微徑銑刀的損傷研究，摩擦學(xué)學(xué)報，2008,28(5)：448-452.”，基于數(shù)值模擬方法建立三維微銑削加工模型，得到微銑削過程刀具磨損形態(tài)，但也未對微銑削刀具后刀面磨損進行預(yù)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，發(fā)明一種微銑削過程刀具后刀面磨損的預(yù)測方法，該方法采用有限元仿真技術(shù)，考慮材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，輸出微銑刀具軸向磨損情況，再基于刀具磨損幾何關(guān)系，實現(xiàn)一種微銑削過程刀具后刀面磨損的精準預(yù)測。與微銑刀具磨損試驗研究相比顯著降低經(jīng)濟成本，操作簡單，精度滿足要求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微銑削過程刀具磨損的預(yù)測方法，采用有限元仿真技術(shù)，其特征是，預(yù)測方法通過對工件和刀具三維建模，考慮材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，建立刀具工件摩擦類型、金屬切削分離準則，輸出有限元仿真不同切削參數(shù)下刀具軸向磨損值，再通過幾何關(guān)系確定微銑刀后刀面磨損值，預(yù)測微銑削過程刀具磨損情況，預(yù)測方法的具體步驟如下：

步驟1：測繪微銑刀幾何結(jié)構(gòu)、基于此建立微銑刀模型，導(dǎo)入DEFORM軟件中，將其設(shè)置為剛體；

步驟2：建立三維微銑削工件模型，設(shè)置為彈塑性體；

步驟3：對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四邊元體，并將刀具及工件接觸處切削區(qū)域的網(wǎng)格局部加密；

步驟4：采用Johnson-Cook本構(gòu)模型模擬真實切削過程材料內(nèi)流動應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系；

所述的工件材料的本構(gòu)模型為：

式中，σ為Von-Mises流動應(yīng)力；A為參考溫度和參考應(yīng)變速率下的屈服強度；B為應(yīng)變強化系數(shù)；為等效塑性應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變速率硬化系數(shù)；為等效塑性應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率；m為加熱軟化指數(shù)；T為工件溫度；T_melt為材料融化溫度；T_room為室溫；

步驟5：材料損傷判據(jù)采用Normalized C&L，其表達式為公式(2)，即材料單元達到設(shè)定的臨界值時，材料完全破壞，刪除網(wǎng)格單元；

式中S為材料破壞臨界值；為材料等效應(yīng)變；σ^*為材料切削時的最大主應(yīng)力；為材料等效應(yīng)力；

步驟6：定義接觸性質(zhì)，微銑削過程中刀具與工件間存在兩種類型接觸，刀尖部位主要是粘結(jié)接觸，后刀面與工件間主要是滑動接觸，接觸設(shè)置為：

粘結(jié)接觸τ_f＝λk μp_i≥λk (3)

滑動接觸τ_f＝μp_i μp_i＜λk (4)

其中，τ_f為摩擦應(yīng)力；λ為剪切摩擦系數(shù)；k為剪切屈服應(yīng)力；μ為庫倫摩擦系數(shù)；p_i為接觸面壓力；

步驟7：定義邊界條件，設(shè)置工件約束；設(shè)置刀具與工件之間熱傳導(dǎo)面及工件與環(huán)境之間熱傳導(dǎo)面；

步驟8：設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和切削深度；將計算設(shè)置為熱力耦合模式，運行有限元模擬過程，輸出微銑削過程刀具軸向磨損情況；

步驟9：基于幾何關(guān)系確定微銑削過程刀具后刀面磨損與軸向磨損關(guān)系為公式(5)：

其中，VB為微銑刀后刀面磨損；a為微銑刀軸向磨損；α為微銑刀前角；β為微銑刀后角；r為微銑刀刃口圓弧半徑；

步驟10：帶入仿真所得到的微銑削過程刀具軸向磨損情況，得到微銑削過程刀具后刀面磨損值，通過建立微銑削有限元仿真模型和刀具磨損幾何關(guān)系模型，實現(xiàn)微銑削過程刀具磨損預(yù)測。

本發(fā)明的顯著效果是基于有限元仿真技術(shù)，考慮刀具磨損幾何關(guān)系，為選擇合理微銑削切削參數(shù)組合提供參考；與微銑刀磨損實驗研究相比降低了經(jīng)濟成本，且操作簡單。

附圖說明

圖1—微銑削刀具磨損預(yù)測方法流程圖。

圖2—微銑削刀具磨損情況幾何關(guān)系圖。圖中，VB為微銑刀后刀面磨損；a為微銑刀軸向磨損；α為微銑刀前角；β為微銑刀后角；r為微銑刀刃口圓弧半徑。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

考慮到微銑削過程中微銑刀具磨損情況嚴重，因而研究微銑削過程刀具磨損預(yù)測方法對優(yōu)化微銑削加工工藝、提高加工質(zhì)量具有重要作用。據(jù)此，針對微銑削過程刀具磨損預(yù)測難題，發(fā)明了一種微銑削過程刀具后刀面磨損預(yù)測方法。預(yù)測方法采用有限元仿真技術(shù)，通過對工件和刀具三維建模，考慮材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，建立刀具工件摩擦類型、金屬切削分離準則，輸出有限元仿真不同切削參數(shù)下刀具軸向磨損值，再通過幾何關(guān)系確定微銑刀后刀面磨損值，預(yù)測微銑削過程刀具磨損情況。

詳細說明本發(fā)明實施過程：

以兩刃平頭銑刀微銑削直槽為例，采用日本NS公司MX230微銑刀，微銑刀刃口圓弧半徑r為2μm、螺旋角30°，微銑刀前角α為2°，微銑刀后角β為9°，借助DEFORM軟件進行仿真。

第一步：首先確定選用的工件材料為鎳基高溫合金718，其材料參數(shù)性能為密度：8470kg/m³；硬度：39～45HRC；彈性模量：206GPa；泊松比：0.3；熱導(dǎo)率：11.2W/m·K；屈服應(yīng)力：1110MPa；應(yīng)變率：23.3％；抗拉強度：965MPa。

第二步：根據(jù)選擇的刀具，測繪并構(gòu)建模型，導(dǎo)入DEFORM軟件中，設(shè)置為剛體，劃分網(wǎng)格40000個，在與工件接觸的切削區(qū)域使用網(wǎng)格局部加密，采用四邊元體網(wǎng)格類型。模型工件為階梯狀半環(huán)形體，設(shè)置為彈塑性材料。網(wǎng)格類型采用四邊元體，在與刀具接觸的切削區(qū)域使用網(wǎng)格局部加密，共劃分100000個網(wǎng)格。在有限元模型中創(chuàng)建工件材料鎳基高溫合金718，并根據(jù)上述材料性能參數(shù)定義。

第三步：金屬塑性行為采用Johnson-Cook本構(gòu)模擬，在公式

(1)中參數(shù)依次取為：參考溫度和參考應(yīng)變速率下的屈服強度A為1241MPa；應(yīng)變強化系數(shù)B為622MPa；應(yīng)變速率硬化系數(shù)C為0.0134；加熱軟化指數(shù)m為1.3；應(yīng)變硬化指數(shù)n為0.6522；室溫T_room為20°。

第四步：材料損傷判據(jù)為Normalized C&L斷裂準則，根據(jù)公式(2)計算得到S，S＝0.2。

第五步：設(shè)置接觸性質(zhì)，依據(jù)公式(3)、(4),設(shè)置剪切摩擦系數(shù)λ為0.9；設(shè)置庫倫摩擦系數(shù)μ為0.7。定義邊界條件，將工件側(cè)面及底面自由度嚴格約束，設(shè)刀具工件間熱傳導(dǎo)系數(shù)為10⁷kWm^-2K^-1；設(shè)工件與環(huán)境間熱傳導(dǎo)系數(shù)為45kWm^-2K^-1。

第六步：設(shè)置刀具主軸轉(zhuǎn)速為60000rpm；設(shè)置每齒進給量為1.1μm/z；軸向切削深度為35μm。選擇熱力耦合計算模式，運行有限元模擬過程，輸出微銑削過程刀具磨損情況。

第七步：根據(jù)仿真結(jié)果輸出，得到微銑削過程刀具軸向磨損率為0.55μm/s；將其帶入刀具磨損幾何關(guān)系公式(5)并根據(jù)切削時間就可以得到微銑削過程刀具后刀面磨損值。

將刀具主軸轉(zhuǎn)速為60000rpm；設(shè)置每齒進給量為1.1μm/z；軸向切削深度為35μm條件下微銑削過程刀具后刀面磨損預(yù)測值與測量值進行對比，如表1所示。

表1微銑削過程刀具后刀面磨損預(yù)測值與測量值對比

通過表1對于微銑削過程預(yù)測值與測量值的比較可知，本發(fā)明提出的一種微銑削過程刀具后刀面磨損預(yù)測方法可以很好地預(yù)測微銑削過程中刀具的后刀面磨損值，滿足精度要求。

本發(fā)明基于有限元仿真技術(shù)，考慮刀具磨損幾何關(guān)系，為選擇合理微銑削切削參數(shù)組合提供參考，與微銑刀具磨損試驗研究相比顯著降低經(jīng)濟成本，操作簡單，精度滿足要求。