關于P20模具鋼的球頭銑刀刀軸方向的調(diào)查報告

1、關于P20模具鋼的球頭銑刀刀軸方向的調(diào)查報告摘要：加工誘導殘余應力的產(chǎn)生機理是一個復雜的非線性和熱力耦合問題。在加工過程中，切削力和切削溫度必須同時考慮。本文則討論了刀軸方向和每齒進給的切削速度對切削力、切削溫度和殘余應力的影響，同時并分析了進給方向傾斜角度對應下的有效切削速度。切削力可以通過銑削實驗獲得，而切削溫度則是通過有限元法獲得。此外，文章中還討論了有效切削速度對切削力、切削溫度和殘余應力的影響及它們之間的關系。為了更好地讓讀者理解銑削過程，本文則同時采用了實驗和數(shù)值方法。實驗數(shù)據(jù)分析后便得出幾個結(jié)論。在進給方向的傾斜角影響有效切削速度，進而將影響切削力、切削溫度和殘余應力。為了降低切

2、削力，進給方向傾斜角優(yōu)先選擇是5°至30°。工件溫度的總體趨勢呈現(xiàn)拋物線形狀，而切屑的溫度隨進給方向傾斜角的增大而增大。進給方向殘余應力幾乎隨著每齒進速增加而增加，但放置整個進給速度的范圍來看，這并不明顯。為了在工件表面產(chǎn)生殘余壓應力，傾斜角則優(yōu)先選擇在5°至15°。關鍵詞：P20模具鋼 球頭銑刀 刀軸方向1. 引言P20模具鋼由于經(jīng)過適當熱處理而獲得的良好抗磨損和腐蝕性能則被廣泛用于生產(chǎn)注塑模具。此外，復雜曲面被普遍應用到現(xiàn)代產(chǎn)品設計，這促使了多軸加工的大量使用。因此，P20模具鋼的多軸加工值得特別關注，而且球頭立銑刀普遍被應用在模具制造業(yè)中?？傮w而言

3、，加工后的表面質(zhì)量（表面粗糙度、加工硬化和殘余應力）始終是一個重要的研究領域，因為它對模具壽命和使用性能有顯著的影響。許多有關面粗糙度的研究已經(jīng)發(fā)表。加工后隨之產(chǎn)生的物理因素包括加工硬化和殘余應力，而殘余應力在決定工件疲勞壽命、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定方面有重要作用，故其是評價加工后表面完整性的重要指標之一。金屬切削過程伴隨高應變速率和高溫耦合問題，并將產(chǎn)生極大應變，同時會產(chǎn)生切削力和切削熱，這通常導致非均勻的塑性變形，最終殘余應力會誘導產(chǎn)生。不同進給率和傾斜角對應的殘余應力受許多因素的影響，這涉及幾何學、運動學和機械學。產(chǎn)生機理非常復雜。切削條件在使用不同的進給方向傾斜角度條件下是不同的，這包括刀

4、具和工件之間的接觸區(qū)域、參與切削切削刃的切削速度、擠壓和摩擦環(huán)境和傳熱條件。 最近，有關殘余應力的研究取得了重大進展。威斯納計算了AISI304正交加工后熱影響下的殘余應力并討論了切削速度和切削深度對加工誘導殘余應力的影響。雅克布斯等研究了工件內(nèi)多個點的位置、軸向切削深度和進給速率對加工誘導殘余應力的影響。有限元法是一種模擬加工過程的有效解決方案;納斯爾等 通過對不銹鋼AISI316正交切削的分析，研究了工件材料的影響特性熱導率和軟化指數(shù)對加工誘導殘余應力的影響，并同舒爾茨等研究了刃口半徑對殘余應力的影響；前者通過對伴隨連續(xù)切屑形成的奧氏體不銹鋼AISI 316L正交干切削，提出了一種基于AB

5、AXQUS/EXPLICIT模擬的有限元模型，而后通過使用ABAQUS/STANDARD，研究了有關標準45號鋼殘余應力的影響。賽特和鄧主要研究了刀具切屑交界面摩擦系數(shù)和刀具前角對殘余應力的影響并詳細闡述了正交切削有限元模擬的設定。黛米等出于考慮工件和球頭銑刀之間的位置對殘余應力的影響，通過在五軸數(shù)控加工機床鈦合金用Ti-6AL-4V的球頭銑刀銑削加工，研究了能夠影響切削速度的工件傾角對殘余應力的影響，但該研究是通過指定工件的幾何位置而不是改變刀軸方向來實現(xiàn)刀具和工件的相對位置。蘇用了包括許多現(xiàn)存機械加工模型的分析方法，通過螺旋立銑刀銑削和硬車削，建立了有關正交切削殘余應力的模型。從上面的描述

6、來看，有關球頭銑刀刀軸方向和殘余應力之間關系的研究甚少。本文旨在研究進給方向刀具傾角并每齒進給量對切削力、切削溫度和加工誘導表面殘余應力的影響。研究通過實驗和數(shù)值方法，分析測定了切削速度、切削力和切削溫度，并闡述了切削速度，切削力和切削溫度對銑削過程中殘余應力的影響。模具鋼通常用于生產(chǎn)復雜曲面的產(chǎn)品，在該材料的多軸加工過程中，傾角是一個重要的因素。因此,本研究顯示了它的重要性和價值。2. 實驗和仿真的詳細說明2.1. 實驗設定 該實驗使用了機床DMU60P hi-dyn DECKEL MAHO。工件材料是P20模具鋼。104×75mm工件的頂面被分成30個區(qū)域。實驗中使用的雙齒刀具是

7、碳化涂層硬質(zhì)合金立銑刀。加工坐標系、切削方向和刀具如圖1所示。在坐標系中，z軸與垂直加工表面的方向一致，x軸與垂直刀具進給的方向一致，y軸與進給方向一致。實驗加工過程使用如圖2所示。 Kistler 9257 b測力計和電荷放大器用于測量切削力。Xstress3000用于測量殘余應力,X3000應力分析儀由兩個對稱的探測器組成，用來記錄來自兩個相反方向的衍射獨立信號，每個探測器使用互的方法設置峰值并能保證較高的測量精度。表1展示了球頭立銑刀每齒進給量和傾角的結(jié)合條件。切削深度和行距都是0.5mm。主軸轉(zhuǎn)速n= 10,000轉(zhuǎn)/分鐘，每齒進給量fz范圍是從0.1至0.3mm/z和球頭立銑刀傾斜角

8、范圍是從0到45。在進給方向的傾斜角方定義為刀具軸線與垂直于切削速度的平面間的夾度;當傾斜角度為正時，切削條件是逆銑。該實驗采用順銑加工。2.2. 有限元模型的設定有限元方法是預測切削過程的一種有效的方法。因為切削溫度的測定是困難的，本文采用了有限元方法是為了獲得切削溫度的變化規(guī)律，這是模擬的首要目的。工件是固定的，并且刀具移動方式是平移和旋轉(zhuǎn)。工件與刀具的初始溫度為20°。在仿真過程中，與環(huán)境的熱交換和熱磁通被忽略。 工件材料是P20模具鋼，表2給出了材料的化學組成元素。工件的導熱性和比熱容都被定義為溫度的函數(shù)。工件材料的熱發(fā)射率值恒定設置為等0.7。圖3則是工件的幾何形狀設定，以

9、便模擬實際切削過程。橢圓范圍里，曲線和零件邊界線圍成的部分是切削區(qū)域。GeneralizedJohnsonCook模型用于描述切削過程中的塑形變形。表達式確定如下。其中，為工件材料流動應力， 是等效塑性應變， 是等效塑性應變率， 是參考塑性應變。 A、B、C、D0、E、M和n是5個材料參數(shù)，在使用材料的默認設置常數(shù)庫時，它們被視為定常量，具體值如表3所示，這與文獻【20】中的研究近似一致。T是當前的溫度，Tmelt是工件材料的熔化溫度，并且Troom是室溫，在室溫下材料常數(shù)是確定的。 在上述方程中，Troom、Tmelt和Tb應是絕對溫度。表4中列出來P20模具鋼的物理性能，包括密度，硬度和熱

10、性能。 方程2中以公式定義的克羅夫特 - 萊瑟姆標準定理是用來描述仿真過程中切屑的形成。其中，f是有效應變，1為屈服應力，而D是材料常數(shù)。當最大拉伸住應力沿著塑形應變路徑的積分值為D時，工件將產(chǎn)生切屑碎片。刀具和工件被劃為一個個四面體單元的網(wǎng)格。圖4展示了網(wǎng)格劃分和工件的邊界條件，并且坐標系的設定和圖1相同。網(wǎng)格重新化分技術和局部細化技術適于在工件的網(wǎng)格劃分。工件中所有單元的數(shù)量是30000，并且在細化區(qū)域網(wǎng)格密度是其外部區(qū)域的10000倍。建模時，球頭立銑刀是剛性的，其幾何結(jié)構如圖5所示。網(wǎng)格的總數(shù)為15000;細化區(qū)域網(wǎng)格密度是其外部區(qū)域的10000倍。刀軸的投影如圖2所示，并且刀軸投影和

11、工件弧形中心線之間的距離設置為0.5，這是為了確保進給間距為0.5mm。球頭立銑刀的最低點與圖3所描述的切平面相切，這可以使切削深度為0.5mm。所有的設置都是為了確保仿真環(huán)境與實際切削情況一致。同時，仿真過程考慮了球頭銑刀頭熱傳導條件。刀具材料的熱導率，熱容量和發(fā)射率被近似設置為常數(shù)。 刀具的運動如圖6所示，它是由沿進給方向的平移和圍繞刀軸的旋轉(zhuǎn)組成，并且其設置與銑削試驗中的切削參數(shù)一致。進給速度對應于每齒進給，齒數(shù)和主軸轉(zhuǎn)速，它是由下式確定 ，其中z是齒的數(shù)目。3. 有效切削速度的分析由于復雜的幾何形狀特征，不同球頭銑刀切削的刃將參與切割。在每齒進給相同的情況下，切削刃上切削點的速度因進給

12、方向傾斜角度的不同而不同。因此，在特殊切削條件下，用來評估實際切削速度意義的有效切削速度是不同的。進一步的分析如下。圖7演示了計算切削刃各點切削速度的原理。二維圖片可以代替三維的情況。弧AB、BC和CD是球頭立銑刀切削刃在平面中的投影。以L1為刀具軸線（= 0°），刀尖點是B，切削刃的投影是AD，分布在刀軸兩邊對稱的兩條線是AB和BD。當L 2是刀具軸線（是正值）時，刀尖的點是C，切削刃的投影仍是AD，分布在刀軸兩邊對稱的兩條線是AC和CD。圖7中，aP是切削深度。切削過程中，在刀尖橫截面AD下面的刀刃可能會切到工件。當虛擬刀齒（signal tooth)在工件中切削時，與未加工表現(xiàn)

13、接觸的切削刃通過B點（刀尖和加工表面的切點），并且實際切削刃則被包括在了截面AD以下刀尖和以進給方向為法線（normal）的面之間的區(qū)域，在圖8中其是A區(qū)域。 圖8展示了實際平面及在進給方向上傾斜的球頭立銑刀的投影。當?shù)遁S是圖7所示的L1或L2時，球面各點的切削速度用3和4公式計算。AE是從A點到L2的垂直距離，DF是從D點到L2的垂直距離，ap為切削深度，當= 0°和R是球頭立銑刀的半徑時，其等于切削的軸向深度的。由于切削刃每個點中切削速度不同，有效速度是用來估算單個齒切進切出過程中的速度。計算詳情如下。圖9展示了有效切削速度的計算原理。AE和BF都垂直于刀軸。是進給方向上的傾斜角

14、度，是OA和刀軸的夾角，P是弧AB上一點，是切削刃上的一個投影點。是過點P刀具中心O和刀軸之間的夾角。4. 實驗和仿真的結(jié)果分析4.1. 有效切削速度計算結(jié)果的詳細闡述 圖10則顯示了有效切削速度隨進給方向傾角變化的規(guī)律。條形的高度代表了有效切削速度；折線則是用來連接（the practical attachment）有效切削速度的數(shù)據(jù)點。隨著的增加，有效切削速度則表現(xiàn)增加的傾向。 因為傾角不同，則參與切削的切削刃的單元不同，有效切削刃的切削半徑不同，兩個刃之間的有效切削速度不同。從第三部分的分析可以看出，切削單元上的切削點（each point in the cutting edge ele

15、ment）的切削速度隨傾角的增加而變大。故有效切削速度隨傾斜角度的增大而增大。因此，切削溫度、切削力和加工引起的殘余應力將受到影響。4.2. 切削力的分析切削力是至關重要的動態(tài)物理加工因素。在每個方向上的最大切削力圖11.這三個階多項式擬合用為了更好地描述切削力的變動用在進料方向的傾斜角度，并所述方法還采用了繪制切割的變化曲線溫度和殘余應力在下面的文本。FZ = 0.3 mm / z并且隨進給方向傾斜角度的增加有小的變化，F(xiàn)xmax大約是200 N，而當= 15°首先下降，然后隨進給方向傾斜角度的增加時，F(xiàn)ymax和Fzmax呈現(xiàn)最小值。當FZ = 0.2 mm / Z，三個方向上的

16、切削力（進給方向，橫向進給方向，垂直于加工表面的方向）起先也會減少，然后隨著進給方向傾斜角增大而增大。此外，當分別為10°、15°和20°時，X、Y、Z方向上的切削力達到最小值。當FZ = 0.1為mm / z，可以看出測得的最大切削力首先減少，然后隨著進給方向傾斜角度的增加而增加，并且最小值Fxmax和Fymax出現(xiàn)在= 45°時，而當= 45°時Fzmax呈現(xiàn)稍大的值，= 10°、15°和35°則呈現(xiàn)一個較小的值，此外= 15°時每個方向上的最大切削力都較小。 縱向觀察圖11后也可以看出，進給方向上在

17、相同的傾斜角前提下，每個方向上最大切削力隨著每齒進給量的增加而增加。這種現(xiàn)象說明了，在進給方向傾角不為零的前提下，進給速度的增加會使橫向進給方向（X）進給方向（Y）和軸向方向（Z）的最大切削力的增加，即銑削模式是拉銑削（pull milling）。然而=0°時，F(xiàn)ymax和Fzmax，由球頭立銑刀刀頂切削工件產(chǎn)生，并不符合這個規(guī)律，并且在進給方向（Y）和軸向方向（Z）上的切削力起先隨著進給速度的增加而增加（從0.1至0.2mm/ Z），然后隨著進給速度的增加而減少（從0.2至0.3mm/ z）。在一般情況下，流動應力和金屬材料的彈性模量在其他條件恒定的前提下，隨著溫度的增加而減少，這

18、導致材料抗變形能力的下降。因此，材料更容易在高溫的條件下加工。在每齒以0.3mm/ Z速度進給時，每個方向上最大切削力相比FZ = 0.2和FZ =0.1mm/ Z的情況變化較小。這可能是由切削熱所產(chǎn)生的工軟化效果引起的，而切削熱則會留存到加工結(jié)束（stick out），因為相比高速切削，低速狀態(tài)下，切削熱的效應時間越長，其對材料屬性的影響越明顯，尤其是流動應力，則便可以傳導到工件。低速狀態(tài)下降低切削力很容易實現(xiàn)。因此，F(xiàn)Z = 0.1 mm / z和FZ =0.2mm/ z時的切削力比FZ =0.3mm/ Z時大。如圖10所示，不同的傾斜角度對應下的并用來衡量切削速度的有效切削速則線性增加，

19、并且在一定范圍內(nèi)，每個方向上最大切削力的變化趨勢是隨有效切削速度的增加而減少，然后切削力則會輕微地遞增。變化規(guī)律適用于高速切削，即在一定范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而減少。因此，我們便可以得出結(jié)論：為了減小切削力，的值應該選擇在5° to 30°。4.3. 有限元仿真的驗證、結(jié)果和討論模擬的目的是為了獲得在實際加工中難以測量的物理量（溫度）的變化趨勢，而不是為了求出特殊切削條件下的精確值，這樣才會使我們更好地理解加工過程。為了間接地驗證仿真，文中（text）給出了平均切削力的變化趨勢。圖12列出了源自實驗和仿真的平均切削力，條狀的高度表示平均切削力的值;深顏色條狀代表了仿

20、真值，淺色的條狀代表了實驗值。圖12中的曲線是基于三階多項式的多項式擬合結(jié)果，以反映平均切削力的變化趨勢，而虛線表示模擬結(jié)果，而實線表示實驗結(jié)果。圖12顯示了在不同切削條件下，關于平均切削力的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)之間的詳細比較。從圖12可以看出，當FZ =0.1mm/ Z時，均值FX的最大誤差出現(xiàn)在= 45°，而模擬值大約是實驗值的兩倍。= 5°、25°和30°的誤差分別是59.68、40和25.66。小的誤差出現(xiàn)在其他傾角，比如= 20°時為9.97。=10°、15°和35°時，Y方向上所預測的（predict

21、ed）平均切削力出現(xiàn)了較大誤差，分別等于82.6、76和55。這些誤差看起來較大，因為在計算誤差時，作為分母的實驗值較小，并且在= 10°時，實驗中測得的平均切削力等于15.67Ñ，而其模擬值大約是28.62 N，計算誤差為82.6，這是可接受的。相應于其它的其他錯誤不同的傾斜角度小，如在= 8.2630°?？梢杂^察到，模擬過程中Z方向上平均應力的變化趨勢顯示了與實驗結(jié)果良好的一致性。如圖12a所示，F(xiàn)Z = 0.1 mm / z時，模擬仿真過程中平均切削力的總體趨勢與在銑削實驗過程中三個方向上所測量的切削力相一致。從圖12ac可以看出，仿真中三個方向上的平均切削

22、力的變化狀態(tài)與實際銑削實驗的結(jié)果相一致，并且從仿真的目標考慮，模擬值與實驗值之間的誤差是可以接受的。圖12中，Y和Z方向上平均切削力的變化比X方向上的大，這與圖11中所展示的最大切削力的變化相一致。雖然在仿真中存在誤差，但平均切削力的變化趨勢和實驗結(jié)果相一致，因此，仿真結(jié)果顯示了重要的參考價值。圖13顯示了=0°、FZ= 0.1為mm / z條件下的切削溫度圖解，圖 14顯示了=40°、FZ= 0.1為mm / z條件下的切削溫度圖解。示意圖是用來直觀地描述切削過程，并且在接下來的示意圖中，其它仿真結(jié)果將會以曲線的形式（in terms of）展示。如圖15所示，工件溫度起

23、先是隨著進給方向傾角的增加而減小。圖11中，切削力起先減小，然后隨著進給方向傾角的增加而增加，這與工件溫度的變化趨勢相反。切削力的減少與切削溫度的增加相關因為切削溫度的增加引起了材料抗變形能力的下降，從而降低了切削過程中的切削力。切削熱對工件材料的軟化作用降低了剝離工件余料的困難，這降低了切削力。相反地，材料高流動應力和抗變形能力對應下的低溫隨工件溫度的減少而增加，因此這便可以更好地解釋在隨后傾角增加的范圍內(nèi)，切削力增加的現(xiàn)象了。圖15所展示的工件溫度的變化則更好地解釋了圖11中切削力的變化趨勢。工件溫度起先增加，然后大約在=20°和=30°時達到了較大值,最終才隨進給方向

24、上傾角的增加而減少。與有效切削速度向比，圖10中200 m/min的切削速度對應了工件溫度的下降，并且該現(xiàn)象說明，在切削速度的總體范圍內(nèi)工件溫度隨其的增加而增加，然而當速度達到一個特定值時，溫度便下降，這與有關切削速度和溫度的高速加工理論相一致。切屑溫度比工件溫度高，這說明大量的熱被加工過程中產(chǎn)生的切屑帶走了。盡管一些特殊的點會出現(xiàn)較大或較小的值，列如曲線中=20°和=25°的兩點，但是，如圖16所示，在相同的切削環(huán)境下，由切削速度對應的切屑溫度的總體變化趨勢是隨著進給方向傾角的增加而增加。4.4. 殘余應力的分析圖17和圖18分別展示了進給方向上和橫向的殘余應力。從圖17

25、可以看出，在進給方向傾角從0°增加到10°這一范圍，殘余應力的總體趨勢是從拉應力變到壓應力。當值等于或大于10°時，殘余拉應力保持穩(wěn)定。FZ= 0.3 mm / z和FZ= 0.2 mm / z之間，進給方向上的殘余應力差異不明顯，并且FZ= 0.1mm / z時進給方向上的殘余應力比其他FZ值小。我們便得出結(jié)論，進給方向上殘余應力幾乎隨每齒進給量的增加而增加，但縱觀整個進給率值的范圍，這種現(xiàn)象并不明顯。fz=0.1 mm/z和fz=0.3 mm/z時，較大的殘余拉應力值出現(xiàn)在了=10°和=20°兩點，>20°時，殘余拉應力則呈

26、現(xiàn)遞減的趨勢。在fz=0.2 mm/z時，進給方向最大殘余應力值在=15°點達到，并且在fz=0.1 mm/z和fz=0.3 mm/z時，最大殘余拉應力出現(xiàn)了滯后的現(xiàn)象。=0°時，不同fz下的加工表面殘余應力相接進，并且都較小，>0°時殘余應力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚Α＿@是由刀尖的擠壓作用引起的，這在=0°時有著重要的作用。圖11中，相比=0°時的值，Y軸和Z軸方向上的殘余應力下降較大，這種力學方面的作用有助于加工表面殘余拉應力的產(chǎn)生。同時，如圖15所示，>0°時的殘余應力比=0°時大。加工表面溫度的上升幅度比次表面高；兩個表面的溫度都需要回復到相同的室溫，加工表面溫度的減小受次表面限制，這是因為加工表面溫度的減小比次表面大，故加工表面呈現(xiàn)殘余拉應力而此加工表面呈現(xiàn)殘余拉應力。在熱力耦合的影響下，表層殘余產(chǎn)生于>0°時，進給方向殘余應力起先隨著進給方向傾角的增加而減少。如圖18所示，橫向殘余應力的總體趨勢是隨進給方向傾角的增加而增加，這與進給方向上殘余應力的變化相異。fz=0.1 mm/z 和 fz=0.3 mm/z時，在從0°到15°的變化范