占刚等：新型硬质合金微坑车刀切削能对比研究与预测 ·1211· a.a-co+=BX+（18 削温度较原车刀是降低的. -+8。= cP(ad） CP 图6为Deform-3D有限元仿真刀具前刀面温度变 式中，6。为环境温度，c是6。~6.间工件材料的比热 化曲线，仿真切削参数及刀具工作角度均与切削实验 容，P,是工件材料的密度. 参数相同，为生产实际推荐参数，材料流动应力模型、 前刀面因切屑摩擦所造成的温升用日，表示，则前 摩擦模型和断裂准则均采用软件默认设置，由图5可 刀面的平均温度6，应为： 以得到原车刀前刀面刀屑接触区平均温度为605℃， 0,=0+0 (19) 而新型微坑车刀前刀面刀屑接触区平均温度为564 前刀面单位时间单位面积产生的热量为q,则有： ℃，由仿真分析可得新型微坑车刀前刀面刀屑接触区 Fve 切削温度较原车刀是降低的 4n=Id. (20) 700r 原刀片 式中，l为刀屑接触长度 新型微坑车刀 600 单位切削体积的摩擦能N,为F:,假设前刀面 500 va'd. 400 流入切屑中的热量为R29,由摩擦引起的在刀屑接触 300 表面上的平均温度为： 200 0.754(R29,)20.377R,m*a 100 0 -N(21) k√L k2'L2 式中，k2是在温度为(0，+0，)时切屑的导热系数；L2= 0.0020.0040.0060.0080.010 时间 0e2 2山，@，是在温度为(0，+日，)时切屑的导温系数，， 图6切削仿真车刀温度对比曲线 Fig.6 Simulation of temperature contrast curve of cutting blade =,A4分别是在温度为（可+8）时切屑的密度 图7为耐用度实验车刀按生产实际推荐切削参数 干式切削30min时原车刀和微坑车刀后刀面磨损图 和比热容 像，图8为前刀面磨损图像，图9为耐用度实验后刀面 由式(17)~式(21)，前刀面刀屑接触区的平均温 磨损折线图. 度6，为： 由图6、图7、图8和图9可知，新型微坑车刀能降 日=月+月=尽N. 0.377R,"-0.N4+6o- 低切削温度，减少后刀面和前刀面的磨损，提高车刀的 Cip k2·√匹 使用寿命 (22) 基于式(22)可知，若忽略两车刀切削过程因切削 3切削能的预测 温度不同造成的工件和刀具材料热物理性能的微小差 3.1回归正交实验 异，刀具前刀面的切削温度与剪切能和摩擦能呈正相 回归正交试验同样在C6136HK数控车床平台和 关关系，即可通过剪切能和摩擦能的变化来判断刀具 同样的切削条件下进行，试验方案如表4和5所示. 前刀面的温度的变化，结合切削实验和理论计算所得 在上述实验过程中，每一切削实验各方向的切削 改进前后两车刀切削能，可知新型微坑车刀前刀面切 力数据同样采集3次，求其算术平均值作为所切方向 图7后刀面磨损图.(a)原车刀磨损图：(b)新型微坑车刀磨损图 Fig.7 Flank wear images:(a)ordinary tool;(b)new micro-pitting tool占 刚等: 新型硬质合金微坑车刀切削能对比研究与预测 兹s = R1 qs(a·dw·csc 准) c1 籽1 (v·a·dw ) + 兹0 = R1Nss c1 籽1 + 兹0 . (18) 式中,兹0 为环境温度,c1 是 兹0 ~ 兹s 间工件材料的比热 容,籽1 是工件材料的密度. 前刀面因切屑摩擦所造成的温升用 兹f 表示,则前 刀面的平均温度 兹t 应为: 兹t = 兹f + 兹s . (19) 前刀面单位时间单位面积产生的热量为 q浊 ,则有: q浊 = Ff·vc l f·dw . (20) 式中,l f 为刀屑接触长度. 单位切削体积的摩擦能 Nsf为 Ff·vc v·a·dw ,假设前刀面 流入切屑中的热量为 R2 q浊 ,由摩擦引起的在刀屑接触 表面上的平均温度为: 兹f = 0郾 754(R2·q浊 ) l f 2 k2 L2 = 0郾 377R2·v·a k2· L2 ·Nsf . (21) 式中,k2 是在温度为(兹f + 兹s)时切屑的导热系数;L2 = vc· l f 2 2棕2 ,棕2 是在温度为(兹f + 兹s )时切屑的导温系数,棕2 = k2 c2 籽2 ,籽2 、c2 分别是在温度为( 兹f + 兹s )时切屑的密度 和比热容. 由式(17) ~ 式(21),前刀面刀屑接触区的平均温 度 兹t 为: 兹t = 兹f + 兹s = R1 c1 籽1 ·Nss + 0郾 377R2·v·a k2· L2 ·Nsf + 兹0 . (22) 图 7 后刀面磨损图. (a) 原车刀磨损图; (b) 新型微坑车刀磨损图 Fig. 7 Flank wear images: (a) ordinary tool; (b) new micro鄄pitting tool 基于式(22)可知,若忽略两车刀切削过程因切削 温度不同造成的工件和刀具材料热物理性能的微小差 异,刀具前刀面的切削温度与剪切能和摩擦能呈正相 关关系,即可通过剪切能和摩擦能的变化来判断刀具 前刀面的温度的变化,结合切削实验和理论计算所得 改进前后两车刀切削能,可知新型微坑车刀前刀面切 削温度较原车刀是降低的. 图 6 为 Deform鄄鄄3D 有限元仿真刀具前刀面温度变 化曲线,仿真切削参数及刀具工作角度均与切削实验 参数相同,为生产实际推荐参数,材料流动应力模型、 摩擦模型和断裂准则均采用软件默认设置,由图 5 可 以得到原车刀前刀面刀屑接触区平均温度为 605 益 , 而新型微坑车刀前刀面刀屑接触区平均温度为 564 益 ,由仿真分析可得新型微坑车刀前刀面刀屑接触区 切削温度较原车刀是降低的. 图 6 切削仿真车刀温度对比曲线 Fig. 6 Simulation of temperature contrast curve of cutting blade 图 7 为耐用度实验车刀按生产实际推荐切削参数 干式切削 30 min 时原车刀和微坑车刀后刀面磨损图 像,图 8 为前刀面磨损图像,图 9 为耐用度实验后刀面 磨损折线图. 由图 6、图 7、图 8 和图 9 可知,新型微坑车刀能降 低切削温度,减少后刀面和前刀面的磨损,提高车刀的 使用寿命. 3 切削能的预测 3郾 1 回归正交实验 回归正交试验同样在 C6136HK 数控车床平台和 同样的切削条件下进行,试验方案如表 4 和 5 所示. 在上述实验过程中,每一切削实验各方向的切削 力数据同样采集 3 次,求其算术平均值作为所切方向 ·1211·