精密切削鈦合金TC4表面殘余應(yīng)力的模擬研究

王明海，劉中海，王虎軍，于賀苓，呂以巍

WANG Ming-hai, LIU Zhong-hai, WANG Hu-jun, YU He-ling, LV Yi-wei

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

0 引言

金屬切削過(guò)程是工件與刀具間的相互作用[1]，并伴隨著高應(yīng)變、高壓、高溫度的復(fù)雜彈塑性大變形過(guò)程，在已加工表面上往往會(huì)存在著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。本文主要對(duì)第一類殘余應(yīng)力即宏觀殘余應(yīng)力[2]進(jìn)行分析，殘余拉應(yīng)力影響加工零件的疲勞強(qiáng)度、靜力強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕等性能，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生微裂紋，使用壽命降低；而殘余壓應(yīng)力在一定范圍是可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。在使用過(guò)程中受到溫度、外力等因素的作用，使分布不均勻的殘余應(yīng)力發(fā)生松弛與再分布，對(duì)尺寸穩(wěn)定性、造成嚴(yán)重的影響。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的不斷提高，使金屬切削過(guò)程模擬仿真成為可能。國(guó)內(nèi)外研究對(duì)切削參數(shù)、刀具參數(shù)、切屑形狀及切削熱分布做了許多工作[3-5]，模擬精密切削鈦合金研究其殘余應(yīng)力的分布及變形較少。

本文使用商業(yè)有限元軟件，進(jìn)行模擬正交切削鈦合金TC4的切削過(guò)程，研究刀具刃口半徑對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的分布及材料的抗彎剛度對(duì)變形的影響。為研究工件變形及控制提供了有益的參考數(shù)據(jù)，可用于指導(dǎo)切削刀具幾何參數(shù)的合理選擇。

1 有限元模型的建立

金屬的切削過(guò)程是一個(gè)多元非線性過(guò)程，建立正交熱-力耦合[6]有限元切削模型，在一定假設(shè)下建立模型：

1）切削寬度是切削深度五倍以上，模型簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題；

2）刀具只在切削方向上的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將刀具設(shè)置為剛性體，忽略刀具的塑性變形和加工過(guò)程中的磨損，在本文中刀具材料為金剛石刀具；

3）在實(shí)際的切削過(guò)程刀具和工件的摩擦以及切屑存在彈塑性變化都產(chǎn)生很多的熱量，致使工件的溫度不斷的升高，使工件的微觀組織發(fā)生了變化。在模擬建模的時(shí)候我們將忽略由于溫度變化引起的金相組織及其它的化學(xué)變化；

4）忽略輻射作用,只考慮刀具和工件之間的傳導(dǎo)和對(duì)流；

5）被加工材料定義為各向同性材料，本文中切削材料為鈦合金TC4。

1.1 材料本構(gòu)模型的建立

金屬切削過(guò)程即產(chǎn)生有彈性變形，又產(chǎn)生塑性變形；并且始終處于高溫、大應(yīng)變的條件下，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多元非線性問(wèn)題，并考慮多種因素對(duì)工件材料硬化應(yīng)力的影響，Johnson-Cook等向塑性模型[7]使用應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的關(guān)系方程表達(dá)工件材料的流動(dòng)應(yīng)力。

1.2 切屑的分離準(zhǔn)則

切削加工的過(guò)程是材料不斷被去除的過(guò)程，本文采用更接近實(shí)際情況的應(yīng)變分離準(zhǔn)則：規(guī)定在預(yù)定義路徑上距刀尖前緣最近處的節(jié)點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變達(dá)到臨界值時(shí)，此單元節(jié)點(diǎn)分離。本文使用Johnson-Cook破壞準(zhǔn)則[7]。單元破壞的定義為：當(dāng)材料失效參數(shù)ω超過(guò)1時(shí)，則假定為材料失效。當(dāng)所有的積分點(diǎn)都發(fā)生材料失效，判定該單元格將從網(wǎng)格中被刪除。

Johnson-Cook剪切失效模型適用于金屬大應(yīng)變率變形動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬。

1.3 有限元網(wǎng)格劃分

在金屬的切削過(guò)程中，切削區(qū)域是溫度和應(yīng)力集中的地方，隨著刀尖與工件接觸，單元格開(kāi)始變形，有的單元坐標(biāo)由于變形不均勻而扭曲，嚴(yán)重影響了計(jì)算精度，甚至引起網(wǎng)格的畸變、退化等，使得計(jì)算結(jié)果不收斂，或與實(shí)際不相符。通過(guò)網(wǎng)格重新劃分，選用自適應(yīng)網(wǎng)格（ALE）劃分技術(shù)改善網(wǎng)格質(zhì)量，并對(duì)切削區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，逐層加密，這樣可以提高計(jì)算的效率，獲得更精確的分析結(jié)果。

2 模擬結(jié)果與討論

本文中模擬的是金剛石刀具高速切削鈦合金TC4，其密度為4.44×103 kg/m3,材料的力學(xué)物理性能、熱性能見(jiàn)表1、表2，金剛石刀具材料參數(shù)如表3所示。

表1 TC4力學(xué)物理性能參數(shù)

表2 TC4熱性能參數(shù)

表3 金剛石刀具參數(shù)

本文采用五個(gè)刀具刃口半徑0.01 mm、0.015 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm，工件尺寸2.5 mm×0.8 mm，切削深度ap=0.01 mm、切削速度νc=6000 mm/s、前角為500、后角為500，工件及刀具的正交切削有限元模型如圖1所示，加工殘余應(yīng)力的分布如圖2所示。

圖1 正交切削有限元模型

圖2 加工表面殘余應(yīng)力分布

我們可以從圖2中看到，加工殘余應(yīng)力的分布有明顯的變化，隨刀具刃口半徑r由0.01 mm～0.04 mm的增大，表層的殘余應(yīng)力逐漸增大，較大的殘余應(yīng)力層逐漸向工件內(nèi)部擴(kuò)展。當(dāng)r=0.01 mm時(shí)，表面殘余應(yīng)力最大60.406 MPa；當(dāng)r=0.04 mm時(shí)，表面殘余應(yīng)力最大158.636 MPa。這是由于刀具刃口半徑r的增大，刀具與工件的接觸增大，接觸摩擦熱增多，工件溫度不斷升高。當(dāng)r=0.03、0.04 mm時(shí)，加工表面出現(xiàn)較大的變形，嚴(yán)重影響了加工表面質(zhì)量，加工誤差增大。還可以看出，在工件兩端處的加工變形和殘余應(yīng)力較大，中間比較平緩接近，這是由于加工中間區(qū)域時(shí)，工件剛度較大并且很相似，兩端剛度較小。

圖3 加工表面Y向的殘余應(yīng)力模擬分布

圖4 切削加工過(guò)程圖

工件在加工表面Y向的殘余應(yīng)力模擬分布曲線如圖3所示，從此圖可以看出，加工殘余應(yīng)力變化主要在工件近表層，這是由于鈦合金的導(dǎo)熱性較差，熱量主要蓄存在近表層， 刀具刃口半徑r的變化只對(duì)工件近表層溫度有影響，圖中在深度0.025 mm處到達(dá)最大，在深度0.35 mm以下加工殘余應(yīng)力很小，波動(dòng)很小。

從圖4中我們可以看出刀具在這里是設(shè)為剛性體，工件在刀尖部位的應(yīng)力最大，工件加工區(qū)域的應(yīng)力和溫度也是很高，蓄積了很大的能量，并在此高切削速度、小切深、刀具高鋒銳度的條件下產(chǎn)生斷屑，這與實(shí)際結(jié)果相吻合。

刀具刃口半徑r=0.02 mm時(shí)的切削力和加工表面質(zhì)量曲線如圖5、圖6，得到的平均切削力約F=20 N；加工表面兩端由于剛性差，變形大，中間比較接近，表面粗糙度Ra＜0.1 μm。在實(shí)際中，隨時(shí)注意觀察刀具是否磨鈍，避免刀刃不鋒利產(chǎn)生的擠壓變形、扎刀和燒傷。采用較小的切削深度、較高的刀具鋒銳度（金剛石刀具可以刃磨出r=1 μm,天然金剛石刀具可以刃磨出r≤1 μm）、較高的切削速度，這樣加工表面變形小，加工誤差降低，可以得到的加工表面質(zhì)量越好。

圖5 切削力變化曲線

圖6 加工表面質(zhì)量曲線

3 結(jié)論

1）采用應(yīng)變分離原則可較準(zhǔn)確的模擬切削加工過(guò)程，并得到預(yù)測(cè)加工殘余應(yīng)力的分布。

2）由于切削刃對(duì)加工表面摩擦和擠壓的程度與切削刃的鋒銳度有關(guān)，隨著刀具刃口半徑的增大，以加工表面的變形增大，才生大量的切削熱，使殘余應(yīng)力數(shù)值也逐漸的增大，殘余應(yīng)力層向工件內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致已加工表面的質(zhì)量越差。

3）鈦合金的導(dǎo)熱性能差，高熱分布在加工近表層，使近表層加工殘余應(yīng)力增加。

4）在切削力的作用下，加工表面兩端的剛度較小的區(qū)域變形大，殘余應(yīng)力也較大；而對(duì)剛度較大的中間區(qū)域則影響較小，比較均勻。

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