基于切削仿真技术的废旧刀片再利用
基于切削仿真技术的废旧刀片再利用
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编者按
针对原曲轴车削主轴颈止推面和扇板 ， 均使用菱形刀片锐角刀尖切削 ， 钝角刀尖得不到充分利用 ， 存在浪费的情况 ， 提出改用钝角刀尖车削扇板的设想 。 并通过有限元仿真 ， 研究了切削力和切削温度 。
曲轴 AF20 （见图 1 ）工序是粗、精车曲轴各挡 主轴颈、法兰外圆、沟槽和各端面的工序。通过卡盘分别夹持曲轴的法兰端和轴头端外圆，用车刀对 各个主轴颈外圆进行车 削 [1] （见图 2 ），具有加工效 率高、柔性好的特点。
粗车主轴颈和扇板端面采用的都是 CNMT120612 菱形刀片。原工艺在车削曲轴止推面和扇板端面 时，都只使用菱形刀片上 80 °刀尖（下文简称锐角刀尖）进行车削。而 100 °的刀尖（下文简称钝角刀 尖）得不到利用，白白浪费。根据曲轴扇板的加工轮廓，钝角刀尖也能代替锐角刀尖满足加工的要求 （见图 3 ）。但由于原刀片的设计中，钝角不需要有 切削功能，因此采用钝角切削存在以下几个不确定因素需要验证。
图
3
曲轴扇板由锐角刀尖改用钝角刀尖切削
1 ）曲轴粗加工为了追求较高的加工效率，选用 了较大的切削参数，背吃刀量 a p ＝ 3mm 、进给速度 v f ＝ 0.4mm/min 、切削速度 v ＝ 120m/min 。钝角刀尖 产生的切削抗力与原锐角刀尖相比是否会明显增大，机床主轴功率、进给系统强度以及工艺系统刚 性能否承受 [2] 。
2 ）在曲轴“车 - 车拉”刀盘上，圆周分布了 40 把不同的刀具，根据刀具管理器中设定的使用寿命进行换刀，采用替换刀分组切换。整个刀盘上的刀具使用寿命都相互匹配。如果使用钝角刀尖加工方式，刀具使用寿命明显低于锐角刀尖，就会造成整组刀具提前换刀，从而大大增加刀具成本。
以往的试刀方式是请刀具供应商制造实物，在 机床上试验并跟踪观察实际使用效果，再根据刀具失效形式分析做针对性的改进，存在刀具优化周期长、效率低和成本高的问题。通过有限元仿真手段 可分别对 CNMT120612 菱形刀片锐角和钝角刀尖的 加工过程进行模拟，得出切削力、温度和刀具磨损的对比结果，研究钝角刀尖切削扇板的工艺性。
测绘刀片并建模（见图4、图5）。CNMT120612 菱形刀片法后角为0°，其长宽高等尺寸可以通过外 径千分尺测得。前角及断屑槽相关角度和长度尺寸 可将刀片沿正交平面用线切割剖开后，通过电子放大镜测量。在三维设计软件中，通过拉伸及放样功 能实现建模，模型以 STL 格式保存。
采用 Deform － 3D 软件中的车削仿真模块。按实 际加工参数设定切削条件及初始环境温度、热传导 率和摩擦因子等边界条件（见图 6 ）。
定义刀具材质和涂层厚度。综合刀具的模拟 精度与运算速度，将刀具划分为 4 万个网格（见图 9 ）。采用简化的切削模型，设置模拟切削长度 30mm ，并采用相对网格划分方式，以进给量的 40% 设定工件网格大小。由于曲轴材质为非调质钢，其 力学性能与 45 钢类似。可在材料数据库中选取 45 钢 定义工件材质，并将非加工面添加约束，所有工件 表面定义为热传导面（见图 10 ）。
图
9
刀具网格划分
图
10
定义工件
（ 1 ）刀具磨损分析由刀具切削仿真温度分布云图（见图 11 ）可知，最高切削温度出现在靠近 刀尖的切屑表面。其中钝角刀尖最高切削温度为 1010 ℃，而锐角刀尖最高切削温度为 1130 ℃。采用钝角刀尖后，最高切削温度下降 10.6% 。由温度曲线（见图 12 ）也可知，钝角刀尖切削的平均温度约 900 ℃，而锐角刀尖切削的平均温度约 1080 ℃，采用钝角刀尖后，平均切削温度下降约 16% 。由刀具界面温度分布云图（见图 13 ）可知，钝角刀尖界面最高温度为 629 ℃，锐角刀尖界面最高温度为 842 ℃， 且钝角刀尖的温度分布面积更大。由于刀具使用寿 命与温度成反比，因此可推论采用钝角刀尖切削， 刀具使用寿命将比原工艺有所提升。
a
）钝角
b
）锐角
图 11 钝角刀尖与锐角刀尖切削温度分布云图对比
b
）锐角
图 12 钝角刀尖与锐角刀尖切削温度曲线
b
）锐角
（ 2 ）切削力分析分别选取两种刀尖模拟的第 975 步时的刀具界面压力云图进行对比（见图 14 ）， 可知钝角刀片的切削负荷分布在切削刃及靠近刀尖点的较大区域内，锐角刀片的切削负荷主要集中在刀尖点附近。因此可推论锐角刀尖相对崩刀的风险较高。
b ）锐角
图 14 钝角刀尖与锐角刀尖刀具界面压力云图对比
在模拟坐标系中， Y 轴对应刀具主运动方向。 由钝角刀尖与锐角刀尖 Y 轴负载曲线（见图 15 ）可知，钝角刀尖的主切削力稳定值为 7000N ，锐角刀尖的主切削力为 6220N 。即钝角刀尖的主切削力相较锐角刀尖增加了 12.5% 。观察锐角刀尖实际加工时机床主轴功率利用率在 35% ，因此虽然切削负载 增加，但尚在可以承受的范围。
b
）锐角
图 15 钝角刀尖与锐角刀尖 Y 轴负载曲线
在模拟坐标系中， X 轴对应曲轴径向方向。 由钝角刀尖与锐角刀尖 X 轴负载曲线（见图 16 ）可知，钝角刀尖的径向力稳定值为 1500N ，锐角刀尖的径向力为 1460N 。即钝角刀尖的径向力相较锐角刀尖增加了 3% ，变化不大，可忽略不计。
b ）锐角
图 16 钝角刀尖与锐角刀尖 X 轴负载曲线
在模拟坐标系中， Z 轴对应曲轴轴向方向。 由钝角刀尖与锐角刀尖 Z 轴负载曲线（见图 17 ）可知，钝角刀尖的轴向力稳定值为 1450N ，锐角刀尖的轴向力为 910N 。即钝角刀尖的轴向力相较锐角刀尖增加了 59% 。要减小轴向分力，则需要增大主偏角。在刀尖角为 100 °时，考虑到还要留有一定的副偏角，因此 75 °已经是允许取值最大的主偏角。同 时考虑到轴向是曲轴刚性较好的方向，尚在可以承受的范围。
图 17 钝角刀尖与锐角刀尖 Z 轴负载曲线
综上，使用钝角刀尖相较于原锐角刀尖方案， 推测刀具的切削温度有所下降，刀具使用寿命增加。但是切削负载会有所增加，尤其是曲轴轴向力会有明显增大，但尚在可以承受的范围，需进一步试验。
依据有限元仿真的主偏角、主后角和副后角等 角度设计钝角刀座（见图 18 ），并委托刀具供应商 制造。
图
18
设计钝角刀座
利用对切削过程的有限元仿真技术对 CNMT120612 菱形刀片锐角和钝角刀尖的切削力和 切削温度进行模拟，研究了在车削主轴颈止推面工 步上使用菱形刀片的 80 °锐角切削，待锐角刀尖 磨损后换至车削扇板工步，用钝角切削的工艺可行性。充分利用废旧刀片，不仅可以节省刀具成本，而且减少了环境污染。
[2] 薛飞 . 铣刀头可正反转的铣刀设计 [J]. 机械制造 ， 2022 ， 60 （ 11 ）： 44 ， 56-57.
[3] 薛飞 ， 黄忠 ， 黄迪 . 金属切削过程模拟技术在缸体 AF240 工序提升刀具寿命的应用 [J]. 金属加工 （ 冷加工 ）， 2022 （ 8 ）： 55-60.
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