鈦合金Ti6Al4V銑削有限元仿真分析

王明海，王京剛，鄭耀輝，李世永，高 蕾

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136）

0 引言

鈦合金材料以比強度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空和航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但由于化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點致使鈦合金的切削加工性較差、切削溫度較高。在切削加工過程中，切屑的形成及切削溫度的高低均對刀具的使用壽命和工件的表面加工質(zhì)量有著重要的影響[1～3]。

國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金切削加工過程中的切屑及溫度分布情況進行著積極的研究。Guang Chen[4]等基于延性破壞模型研究了在不同切削條件下高速切削鈦合金Ti-6Al-4V切屑的形態(tài)。Anhai Li[5]等對高速干式銑削鈦合金Ti-6Al-4V切屑的形態(tài)進行了研究。S.B.Yang[6]等對置氫條件下車削鈦合金的切屑形成過程及溫度變化情況進行了研究。Fang Shao[7]等采用有限元對切削鈦合金過程的溫度進行了預(yù)測，并通過試驗驗證了其預(yù)測方法的正確性。陳明[8]等人對高速銑削過程中工件內(nèi)部及其與刀具接觸面的溫度進行了研究。

但以上分析為了建模的簡單性和分析的高效性，在進行銑削有限元仿真時，往往采用簡化的二維直角切削或三維斜角切削仿真，沒有按照銑刀的實際結(jié)構(gòu)進行建模，并且對實際結(jié)構(gòu)銑刀的溫度分布及變化規(guī)律的研究比較少。為此基于有限元仿真分析軟件ABAQUS建立了更接近實際的銑刀模型及三維有限元銑削模型，對銑削過程切屑的形成過程，銑削溫度及切削力進行了仿真分析，仿真值與試驗值基本一致，對實際銑削加工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型的建立

在進行有限元仿真時，銑刀結(jié)構(gòu)建模對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性具有至關(guān)重要的影響作用，為此建立了更接近實際的銑刀結(jié)構(gòu)模型以及三維銑削模型。由于鈦合金的銑削伴隨著大的變形及應(yīng)變，在加工過程中涉及高溫、高應(yīng)變速率耦合的大變形和斷裂，為此在進行網(wǎng)格劃分時，刀具和工件均采用了8節(jié)點六面體顯示熱應(yīng)力耦合線性減縮積分單元C3D8RT。約束條件：對工件底面及XOZ面約束包括移動和旋轉(zhuǎn)所有自由度，對刀具添加沿X方向的移動約束和沿Z軸方向的旋轉(zhuǎn)約束。定義完成的銑削模型如圖1所示。

圖1 三維銑削有限元仿真模型

2 材料失效模型

在銑削加工過程中，切屑的形狀發(fā)生較大的變形，應(yīng)力與時間的并不是單值關(guān)系，為此切屑的分離采用基于單元積分點的等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則，當(dāng)損傷參數(shù)達到1時，單元發(fā)生失效，如下式所示：

由于銑削過程伴隨著高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變率，為此失效應(yīng)變準(zhǔn)則采用適用于高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變率的Johnson-Cook模型定義[9]如下式：

3 有限元模擬結(jié)果及分析

在銑削過程中，切削速度往往較大，所形成的切屑的厚度往往較小，這樣使得準(zhǔn)確測量切削過程中的溫度較為困難，而通過有限元仿真可以得到在切削過程中任意時刻刀具及工件的溫度分布情況。

在此刀具材料選用硬質(zhì)合金YG8，直徑為6mm，刀刃數(shù)為4，前角10 ，后角12 ，螺旋角38 ；工件材料為鈦合金Ti6Al4V，尺寸為2mm×3mm×4mm。圖2所示為切削速度30m/min，每齒進給量0.03mm/z，軸向切深ap為0.25mm，徑向切寬ae為0.63mm下，干式順銑切削，切屑的形成過程及刀具和工件的溫度分布云圖。

圖2 切屑形成過程及溫度云圖

從圖2可以看出，隨著切削的進行，切屑逐漸發(fā)生卷曲，最高溫度出現(xiàn)在刀具前刀面與切屑的接觸面上，并且高于第Ⅰ變形區(qū)的溫度，這是因為切削速度非常高，致使第Ⅰ變形區(qū)的工件材料產(chǎn)生大量的變形熱來不及散發(fā)便與刀具的前刀面摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得與刀具前刀面接觸處的切屑的溫度進一步升高。

圖3 實際銑削加工的切屑形態(tài)

圖3為實際銑削加工得到的切屑的形狀，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，仿真模擬得到的切屑與實際加工得到的切屑的形狀基本相同，從而說明了，此有限元銑削模型的可行性。

圖4 工件等效塑性應(yīng)變云圖

圖5 刀具溫度分布云圖

圖4、圖5分別為工件的等效塑性應(yīng)變云圖和刀具溫度分布云圖。可以看出，切屑及工件切削側(cè)壁發(fā)生較大的塑性應(yīng)變。工件側(cè)壁的溫度的升高主要是由于切削過程中側(cè)壁的工件材料發(fā)生大的變形產(chǎn)生大量的變形熱，并且其中一部分熱量傳遞給了刀具，使得與工件側(cè)壁接觸處刀具的溫度升高。

圖6 刀尖溫度隨時間變化趨勢

圖7 刀尖最高溫度隨切削速度 變化趨勢

如圖6所示為切削過程中刀尖溫度隨時間變化情況。從圖中可以看出刀尖溫度在刀具切出工件（2.1ms）之前不斷升高，最高溫度為496 C，隨后刀尖的溫度開始降低。

為了分析刀尖處最高溫度與切削用量之間的關(guān)系，在此分別改變切削速度、每齒進給量、軸向切深的大小進行仿真分析，其中切削速度依次選擇30m/min、60m/min、90m/min和120m/min，每齒進給量依次選擇0.03mm/z、0.06mm/z、0.09mm/z和0.12mm/z，

軸向切深依次選擇0.2mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm。仿真分析結(jié)果分別如圖7～圖9所示。

圖8 刀尖最高溫度隨每齒進給量變化趨勢

圖9 刀尖最高溫度隨軸向 切深變化趨勢

從上述圖中可以看出，刀尖處最高溫度均隨切削速度增加而升高，但溫度升高的速率是逐漸減小的，這是由于切削速度的增大使得在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多，致使切削溫度升高，同時切屑產(chǎn)生的速度隨切削速度的增大而加快，由切屑帶走的熱量增多，致使傳遞給刀具切削熱的比例減小，從而使得刀尖溫度升高的速率逐漸減小。刀尖處最高溫度隨每齒進給量、軸向切深的增加也有升高的趨勢，但是變化幅度較小，這是由于每齒進給量或軸向切深的增加均使得單位時間內(nèi)鈦合金的切除率增大，但是由切屑所帶走的熱量也增加，可見其對刀具溫度升高幅度影響較小。

切削力直接影響著切削過程中熱量的產(chǎn)生，并且對刀具的耐用度及使用壽命有著重要的影響。如圖9所示為X、Y和Z三方向的銑削力隨時間的變化趨勢。

圖10 有限元仿真切削力變化趨勢

從圖中可以看出，在達到穩(wěn)定切削狀態(tài)（0.8ms）之前，主切削力Fx逐漸增大；在穩(wěn)定切削狀態(tài)時（0.8ms～2.1ms），主切削力Fx趨向于平穩(wěn)狀態(tài)，并周期性波動，切削力的值穩(wěn)定在269N，這主要是由于在切削過程中，刀具前刀面與切屑的接觸點時刻發(fā)生著變化，并且在第一剪切區(qū)大量的切削熱引起材料的熱軟化效應(yīng)。在穩(wěn)定切削時，軸向切削力Fy最小。

4 試驗驗證

試驗條件：機床型號為VMC-850B立式加工中心，機床功率7.5kw，主軸最高轉(zhuǎn)速8000rpm。銑削力的測量選用瑞士Kistler9265B三向動態(tài)測力儀。其中銑削力測量試驗如圖10所示。

圖11 銑削力測量

如圖11所示為每齒進給量0.03mm/z,軸向切深ap為0.25mm，徑向切寬ae為0.63mm，切削速度分別取30 m/min、60 m/min、90 m/min和120 m/min條件下，主切削力的仿真值與試驗值的對比情況。

如圖12所示為切削速度30m/min，軸向切深ap為0.25mm，徑向切寬ae為0.63mm，每齒進給量分別取0.02mm/z、0.04mm/z、0.06mm/z和0.08mm/z條件下，主切削力的仿真值與試驗值的對比情況。

如圖13所示為切削速度30m/min，每齒進給量0.03mm/z, 徑向切寬ae為0.63mm，軸向切深ap分別取0.2mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm條件下，主切削力的仿真值與試驗值的對比情況。

圖12 不同切削速度下切削力結(jié)果對比

圖13 不同每齒進給量下 切削力結(jié)果對比

圖14 不同軸向切深下切削力結(jié)果對比

可以看出主切削力仿真值與試驗所得測量值曲線的變化趨勢基本一致，即主切削力均隨著切削速度、每齒進給量和軸向切深的增大而增大。通過計算可得，切削速度、每齒進給量、軸向切深的仿真值與試驗值的相對誤差分別為9.16%、9.04%和9.55%，由此可見，此建模方法和仿真模型的正確性和可行性，為鈦合金切削提供了理論數(shù)據(jù)預(yù)測和驗證。

5 結(jié)論

1）建立了更接近實際的銑刀結(jié)構(gòu)模型及三維銑削模型，成功模擬出了鈦合金銑削切屑的形成的全過程，并與實際銑削切屑進行了對比，發(fā)現(xiàn)形狀基本相同。

2）得到了銑削過程中的溫度分布情況，不同銑削參數(shù)下刀尖的最高溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)最高溫度出現(xiàn)在刀具的前刀面與切屑的接觸面上，刀尖處最高溫度隨切削速度、每齒進給量、軸向切深的增加而升高，并且切削速度對其影響最大。

3）工件等效塑性應(yīng)變最大的地方出現(xiàn)在第Ⅰ變形區(qū)及與刀具側(cè)面相接觸的側(cè)壁。

4）分別對不同切削參數(shù)下的切削力進行了有限元仿真和切削試驗，結(jié)果表明：仿真值與試驗所得的測量值隨切削參數(shù)的變化趨勢基本一致，切削速度、每齒進給量、軸向切深的相對誤差分別為9.16%、9.04%和9.55%，從而證明了此建模方法的可行性與準(zhǔn)確性，并為鈦合金切削提供了理論數(shù)據(jù)預(yù)測和驗證。

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