基于有限元技术切削316不锈钢刀具的摩擦磨损性能及实验研究

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316不锈钢具有良好的机械性能和化学性质,广泛地应用于航空、航天等领域,然而其难加工性表现为加工硬化严重、切削力大、切削温度高、刀具磨损快以及切屑不易折断并缠绕在刀具和工件上。目前针对降低刀-屑间摩擦阻力的摩擦性能实验研究与针对减小后刀面磨损VBmax的磨损性能实验研究已得到很大程度上的重视和实践,但对于摩擦磨损性能的仿真分析以及冷却方式仍需进一步研究。本文针对316不锈钢的难加工性基于有限元技术研究了刀具的摩擦磨损性能;分析了正交切削参数对刀-屑间的摩擦系数μ与前刀面上月牙洼深度KT、后刀面磨损VBmax的影响;研究了高压冷却润滑对刀具摩擦磨损性能的影响。(1)本课题提出了利用车削试验法在正交切削参数下通过分析切削进程中的切削分力来研究刀具的摩擦性能,确定了以刀-屑间的摩擦系数μ为研究刀具摩擦性能的关键指标。利用Third Wave Advant Edge有限元软件在不同切削参数、不同切削环境下仿真模拟切削进程,得出切削力和背向力,计算出刀-屑间的摩擦系数μ,进而研究刀具的摩擦性能。(2)对比分析了在干切削和高压冷却两种切削条件下,正交切削参数对刀-屑间的摩擦系数μ与前刀面上月牙洼深度KT、后刀面磨损VBmax的影响,得出高压冷却润滑条件对刀具摩擦磨损性能的影响规律。仿真结果表明,在同样的切削参数下,在高压冷却(HPC 200 bar)切屑环境中切削时的刀-屑间的摩擦系数μ与干切削(DRY)相比降低了3%-11%。利用DEFORM-3D有限元软件在不同切削参数、不同切削环境下仿真模拟切削进程,研究高压冷却润滑对刀具磨损性能的影响。仿真结果表明,在同样的切削参数下,在高压冷却(HPC 200 bar)切削环境中切削时的前刀面上月牙洼深度KT和后刀面磨损与干切削(DRY)相比分别降低了4%-45%,6%-23%。(3)利用正交试验数据处理方法(极差分析法)研究切削参数对刀具摩擦磨损性能的影响,并进行参数优化。从刀-屑间摩擦系数μ方面考虑选择最优的切削参数组合时,在干切削(DRY)切削环境下选择最优参数组合为:切削速度vc(120 m/min)、进给量f(0.2 mm/r)、背吃刀量ap(1 mm);在高压冷却(HPC 200 bar)切削环境下选择最优参数组合为:切削速度vc(80m/min)、进给量f(0.2 mm/r)、背吃刀量ap(0.2 mm)。以后刀面磨损VBmax最小为目标选择最优的切削参数组合时,在干切削(DRY)切削环境下,选择最优参数组合为:切削速度vc(80 m/min)、进给量f(0.15 mm/r)、背吃刀量ap(0.2 mm);在高压冷却(HPC 200 bar)切削环境下,选择最优参数组合为:切削速度vc(80 m/min)、进给量f(0.1 mm/r)、背吃刀量ap(0.2mm)。(4)最后,验证性实验研究了硬质合金车刀在干切削环境下车削316奥氏体不锈钢的干摩擦性能。通过采集正交切削参数下的切削分力,并计算出刀-屑间的摩擦系数μ,研究了切削速度、进给量、背吃刀量对刀-屑间的摩擦系数μ的影响,得到了正交参数对刀具摩擦性能的影响规律。实验结果与仿真结果相一致,验证了仿真的真实性与可靠性。
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