刀具参数对超声切削蜂窝芯切削力及温度影响仿真分析

张生芳，王际帆，马付建，刘宇，沙智华

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*



刀具参数对超声切削蜂窝芯切削力及温度影响仿真分析

张生芳，王际帆，马付建，刘宇，沙智华

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*

建立了圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯的三维有限元模型，研究刀具前角、刀具后角和刀片直径等刀具参数对进给力和切削温度的影响.研究结果表明：在圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯过程中进给力随着刀具前角和刀片直径的增大而增大，随着刀具后角的增大而减小；切削温度随着刀具前角和刀具直径的增大而增大，随着刀具后角的增大而减小.

蜂窝芯；圆片刀；超声切削；进给力；切削温度

0 引言

Nomex蜂窝芯是一种质量轻、刚度大、抗冲击、隔音隔热性好的工程复合材料[1- 2].它通常被制成蜂窝夹层结构件并广泛的应用于航空航天领域，例如：直升机动力装置的整流罩、大型客机的机翼、火箭末级推进箱中的液态燃料隔离层等[3- 5].由于Nomex蜂窝芯是具有特殊多孔结构和短纤维各向异性等特性的难加工材料，因此在传统高速切削加工时存在加工质量低、精度差、加工环境差等问题[6- 8].超声切削加工技术是通过在刀具上施加超声振动，改变刀具与被加工材料的作用机制，最终通过机械切削、高频微撞击、空化作用去除材料[9- 11].该技术可以解决传统高速切削加工中存在的问题，近些年来被广泛运用于Nomex蜂窝芯的实际加工中.

超声刀具作为超声切削过程中的执行元件，其结构形状和尺寸参数对材料加工精度、表面质量以及加工效率都有至关重要的影响.在Nomex蜂窝芯专用超声切削刀具的设计方面，美国的GFM公司、德国的GEISS公司、法国的CRENO公司已研制出多款专用系列化刀具并已经投入Nomex蜂窝芯的加工生产中.国内对于Nomex蜂窝芯超声切削刀具的研究尚处于起步阶段.沈莹镔等[12]对直刃尖刀进行的模态分析和谐响应分析；方亮等[13]对圆片刀进行的静力分析和模态分析；黄秀秀等[14]建立刀具切割力数学模型并通过实验验证加工参数对切割力的影响.

目前国内对于Nomex蜂窝芯超声切削刀具研究主要集中在刀具的模态分析及加工参数对切削性能的影响上，对于刀具几何参数对切削性能的影响研究较少.本文以圆片刀为例，基于ABAQUS软件建立了圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯仿真模型，分析刀具参数对Nomex蜂窝芯超声切削性能的影响.

1 有限元仿真模型的建立

1.1 圆片刀

圆片刀的用途是将零件表面加工成需要的表面或型面，主要用于Nomex蜂窝芯的精加工，其结构如图1所示，其中α为刀具前角、 β为刀具后角、h为刀身高度、D为刀片直径.为保证刀具的切削性能选取YG8硬质合金作为圆片刀的材料，YG8硬质合金材料属性如表1所示.

图1 圆片刀

材料参数密度g/cm3弹性模量GPa泊松比热膨胀系数10-6/K传导率W/(mol·K)比热容J/(kg·K)YG8硬质合金14.56000.34.575.4445

1.2 Nomex蜂窝芯

Nomex蜂窝芯是一种正六边形棱柱孔格轴向均布的薄壁纤维复合材料,其结构如图2所示：蜂窝芯模型总长15.6 mm，宽13.77 mm，高10 mm，每个蜂窝单元孔格边长为3 mm，蜂窝单元的单层壁厚t为0.13 mm.Nomex蜂窝芯的材料属性如表2所示.

图2 Nomex蜂窝芯

材料参数密度g/cm3弹性模量GPa泊松比热膨胀系数10-6/K传导率W/(mol·K)比热容J/(kg·K)Nomex蜂窝芯1.3345.310.29240.1231300

1.3 切削失效准则

切削失效准则是Nomex蜂窝芯在超声切削仿真中产生破坏变形的判断标准，常用的失效准则有几何准则和物理准则.本文采用ABAQUS软件提供的Shear Failure(即剪切失效)准则作为Nomex蜂窝芯的切削失效准则，该准则是通过单元节点的塑性应变值是否达到预设的临界值来判断是否失效.通过分析计算，当单元节点塑性应变值达到或超过临界值时材料失效，单元被“杀死”.

1.4 网格划分及边界条件

根据实际生产中的加工工况，建立圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯的热力耦合模型，如图3所示.对Nomex蜂窝芯采用C3D8T八结点热耦合六面体的网格划分并在刀具与材料的接触区进行网格细化，圆片刀采用C3D10MT十结点热耦合二阶四面体的网格划分.在实际Nomex蜂窝芯加工中，通常采用真空吸附法实现Nomex蜂窝芯的固持[15]，因此在有限元模型中对Nomex蜂窝芯底面采取全固定约束.由于Nomex蜂窝芯材料本身的硬度并不高，在仿真过程中忽略了刀具的磨损，因此将刀具设置为刚体.

图3 有限元模型

圆片刀的切削运动分为三部分：一是刀具沿Y轴方向的超声振动，二是刀具绕Y轴旋转的切削运动，三是刀具沿X轴方向的进给运用.因此在有限元模型中对圆片刀采用Velocity/Angular Velocity的方式约束刀具的切削运动，设置的加工参数如表3所示.设置工件、刀具、环境的初始温度为室温.

表3 仿真加工参数

2 仿真结果及分析

本文采用单因素法研究不同刀具参数(刀具前角α、刀具后角β、刀片直径D)对Nomex蜂窝芯超声切削的进给力Ff和切削温度T的影响.分析中采用的刀具参数如表4.

表4 刀具参数

图4和图5分别为刀具前角α=20°、刀具后角β=2°、刀片直径D=24 mm时，Nomex蜂窝芯超声切削过程中，进给力Ff和切削温度T随时间变化的曲线.

图4 进给力变化曲线

图5 切削温度变化曲线

根据图可知，在0～0.012 s时.圆片刀开始切入Nomex蜂窝芯，进给力Ff随切削时间的增大而增大，切削温度T也随时间而升高；在0.012～0.07 s时，圆片刀进入切削稳态，进给力Ff和切削温度T的变化都相对稳定；在0.07～0.11 s时，圆片刀切出Nomex蜂窝芯，进给力Ff和切削温度T都随切削时间的增大而减小.因此，选取0.07～0.11 s内的进给力Ff和切削温度T的平均值进行进给力和切削温度的分析.

2.1 刀具参数对进给力的影响

(1)刀具前角对进给力的影响

图6为刀具后角β=2°、刀片直径D=24 mm时，通过有限元模型得到的刀具前角对进给力的影响曲线.由图6可以看出随着刀具前角增大，进给力逐渐增大，这是因为当刀具前角α增大时，刀具的切削角增大，切削过程中Nomex蜂窝芯的变形量增大，因此进给力Ff增大.

图6 进给力随刀具前角变化的曲线图

(2)刀具后角对进给力的影响

图7为刀具前角α=20°、刀片直径D=24 mm时，刀具后角对进给力的影响曲线.从图7可以看出进给力Ff随刀具后角β的增大而减小.当刀具后角增大时，刀具切削角减小切削过程中Nomex蜂窝芯的变形量减小；同时刀具后角增大，圆片刀后刀面与Nomex蜂窝芯已加工表面的摩擦面积也也会减小，因此进给力Ff减小.但在刀具后角β从1°增加到4°的过程中，进给力Ff只从1.8 N减小到1.77 N.所以刀具后角β的变化对进给力Ff的影响非常小.

图7 进给力随刀具后角变化的曲线图

(3)刀片直径对进给力的影响

图8为刀具前角α=20°、刀具后角β=2°时，刀片直径对进给力的影响曲线.由图8可知看出随着刀片直径增大，进给力也逐渐增大.这是因为在圆片刀的切削深度和切削宽度不变的情况下，当刀片直径D增大，单位时间内圆片刀切削Nomex蜂窝芯的面积增大，刀具与蜂窝芯的接触面积也增大，刀具受到的切削阻力也增加，因此进给力Ff增大.

图8 进给力随刀片直径变化的曲线图

2.2 刀具参数对切削温度的影响

(1)刀具前角对切削温度的影响

图9为刀具后角β=2°、刀片直径D=24 mm时，刀具长度对切削温度的影响曲线.由图9可知随着刀具长度增大，切削温度逐渐升高.当刀具前角α增大时，刀具受到的进给力增大，圆片刀与Nomex蜂窝芯的接触面积增大，产生的切削热增大，因此切削温度随着刀具前角的增大而增大.

图9 切削温度随刀具前角变化的曲线图

(2)刀具后角对切削温度的影响

图10为刀具前角α=20°、刀片直径D=24 mm时，刀具厚度对切削温度的影响曲线.由图10可知切削温度T随刀具后角β的增大而减小.当刀具后角β减小时，圆片的后刀面与Nomex蜂窝芯已加工表面的摩擦面积减小，产生的摩擦热减低，因此切削温度随着刀具后角的增大而减小.但在刀具后角β从1°增加到4°的过程中，切削温度T只从21.44°减低到21.4°所以刀具后角β的变化对切削温度T的影响很小.

图10 切削温度随刀具后角变化的曲线图

(3)刀片直径对切削温度的影响

图11为刀具前角α=20°、刀具后角β=2°时，刀片直径对切削温度的影响曲线.由图11可知随着刀片直径的增大，切削温度逐渐升高.因为在切削深度和切削宽度不变的情况下，当刀片直径增大，圆片刀与Nomex蜂窝芯的接触面增大，产生的切削热也增大，因此切削温度随刀片直径的增大而增大.

图11 切削温度随刀片直径变化的曲线图

3 结论

(1)以圆片刀为例，建立了基于刀具几何参数的Nomex蜂窝芯超声切削有限元模型，得到了Nomex蜂窝芯加工过程中的进给力及切削温度的变化曲线.仿真结果表明，当圆片刀的刀具前角α=20°、刀具刃角β=2°、刀具直径D=24 mm时，Nomex蜂窝芯在稳定切削状态下的进给力约为2 N，切削温度约为21.5℃;

(2)当刀具前角和刀具直径增大时，刀具在切削过程中受到材料的变形抗力和摩擦阻力会增大，使得刀具受到的进给力增大；刀具后角增大时，刀具在切削过程中受到的变形抗力和摩擦阻力将减小，刀具受到的进给力也减小;

(3)当刀具前角和刀具后角增大时，刀具受到的摩擦阻力增大，产生的切削热增加，切削温度升高；当刀具后角增大时，刀具受到的摩擦阻力减小，产生的切削热减小，切削温度降低.

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Simulation Analysis of Tool Parameters Influence on Feeding Force and Cutting Temperature of Ultrasonic Cutting for Honeycomb

ZHANG Shengfan,WANG Jifan,MA Fujian,LIU Yu,SHA Zhihua

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

A three-dimensional finite element model of the disk cutting tool with ultrasonic machining for Nomex honeycomb is established, and the influence of the tool rake angle, tool clearance angle and blade diameter on the feeding force and the cutting temperature is studied. The results show that the feeding force is increased with increasing tool rake angle and blade diameter, but decreased with increasing tool clearance angle. The cutting temperature is increased with increasing tool rake angle and blade diameter, but decreased with increasing tool clearance angle.

honeycomb; disk cutting tool; ultrasonic cutting; feeding force; cutting temperature

1673- 9590(2017)01- 0057- 05

2016- 01- 20

国家863计划课题资助项目(2015AA043402)；辽宁省自然科学基金资助项目(2014028019)；辽宁省教育厅优秀人才计划资助项目(LR2015012)；辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(L2014181)

张生芳(1973-)，男，教授，博士，主要从事难加工材料精密高效加工技术CAD/CAE/CAM的研究

E-mail:zsf@djtu.edu.cn.

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