高溫鎳基合金鋸齒狀切削數(shù)值模擬

管小燕，吳愛勝，陳亞杰，吳華強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

高溫鎳基合金鋸齒狀切削數(shù)值模擬

管小燕，吳愛勝，陳亞杰，吳華強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

利用有限元建立了高溫鎳基合金切削模型，得出高溫鎳基合金鋸齒狀切屑的應(yīng)變率、應(yīng)變及溫度分布，用絕熱剪切理論探討了鋸齒狀切屑的成形機(jī)理.同時(shí)模擬了切削參數(shù)對鋸齒狀切屑變形程度的影響，研究結(jié)果表明:齒距及鋸齒化程度隨著刀具前角的增大而減小，隨著切削速度、背吃刀量的增大而增大，為優(yōu)化切削參數(shù)、提高工件加工表面質(zhì)量提供參考.

鋸齒狀切屑;有限元;絕熱剪切帶;鎳基合金

鋸齒狀切屑的產(chǎn)生將對切屑形態(tài)、刀-屑接觸狀態(tài)、刀具磨損以及工件加工表面質(zhì)量等產(chǎn)生重要影響.所以鋸齒狀切屑的形成機(jī)理是高速切削機(jī)理研究的熱點(diǎn).目前，對鋸齒狀切屑的形成機(jī)理尚無統(tǒng)一認(rèn)識，但可將其歸納為兩大理論體系，即絕熱剪切理論(adiabatic shear theory)和周期性斷裂理論(periodic brittle fracture).1954年，文獻(xiàn)［1］在常規(guī)加工鈦合金時(shí)發(fā)現(xiàn)了鋸齒狀切屑，總結(jié)了鋸齒狀切屑機(jī)理并最早提出周期性斷裂理論.文獻(xiàn)［2］研究了鈦合金和高強(qiáng)度合金鋼的切屑形成過程，提出了鋸齒狀切屑形成過程的物理模型并最早運(yùn)用絕熱剪切理論來解釋鋸齒狀切屑產(chǎn)生的原因.文獻(xiàn)［3］對車削淬硬鋼的切屑形成機(jī)理提出了基于擴(kuò)展的剪應(yīng)力假設(shè)，解釋了鋸齒狀切屑的形成機(jī)理.文獻(xiàn)［4］在碳鋼切削過程動(dòng)態(tài)觀察研究中發(fā)現(xiàn)，切屑形態(tài)隨切削參數(shù)的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)化，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)致鋸齒狀切屑出現(xiàn)，這是國內(nèi)首次對碳素結(jié)構(gòu)鋼鋸齒狀切屑進(jìn)行的系統(tǒng)性研究.文中利用有限元技術(shù)模擬了高溫鎳基合金鋸齒狀切屑的形成過程，分析了應(yīng)變率、應(yīng)變以及溫度分布情況，探討了鋸齒狀切屑的形成機(jī)理，以及切削參數(shù)對鋸齒狀切屑變形程度和切削力的影響規(guī)律，為刀具幾何參數(shù)及切削用量的合理選擇提供參考.

1 有限元分析模型

在金屬切削過程的模擬中，能否獲得正確結(jié)果主要取決于有限元算法、材料模型及其參數(shù)、刀-屑接觸狀態(tài)以及網(wǎng)格化分等方面.目前，對切削過程的有限元模擬主要采用Euler和Update Lagrange算法，Euler算法模擬鋸齒狀切屑存在一定的困難，因?yàn)橐粩嗾{(diào)整空間的網(wǎng)格來描述邊界條件［5］.而Update Lagrange算法在模擬材料的無約束流動(dòng)時(shí)是很方便的［6］.故本模擬選用的是適合于求解非線性大變形的熱力耦合問題的Update Lagrange算法.

1.1 正交切削有限元幾何模型的建立

建立二維熱力耦合直角切削模型如圖1，未變形切屑設(shè)計(jì)成平行四邊形，便于變形后的切屑沿著前刀面向上爬升;依次給未變形切屑、分離線、工件基體模型與刀具模型網(wǎng)格化，合理分配網(wǎng)格數(shù)，以便后續(xù)運(yùn)算步驟順利進(jìn)行，將網(wǎng)格劃分為長、寬都為8μm的四方形單元網(wǎng)格，選擇位移-溫度雙線性，應(yīng)力、應(yīng)變的性質(zhì)設(shè)為二維平面應(yīng)變;設(shè)定模擬開始時(shí)的環(huán)境溫度、刀具溫度和工件溫度均為20℃.定義刀具剛性約束.收集材料的各種數(shù)據(jù)創(chuàng)建材料模型;定義邊界條件和載荷;生成數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行仿真、處理仿真結(jié)果.針對高溫鎳基合金(GH4169)材料的切削過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析鋸齒狀切屑形成機(jī)理，通過改變單因素切削條件，研究了切削速度、被吃刀量、刀具前角對鋸齒狀切屑變形程度和切削力的影響規(guī)律.

圖1 直角切削模型Fig.1 Orthogonal cutting model

1.2 工件材料的屬性與本構(gòu)關(guān)系

工件材料高溫鎳基合金(GH4169)密度為8.24 kg/m3，熔點(diǎn)1260～1320℃.在實(shí)際切削過程中，工件材料處在高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變速率的情況下會發(fā)生彈塑性應(yīng)變.因此，考慮各因素對工件材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，建立合理的材料流動(dòng)應(yīng)力模型是模擬分析的關(guān)鍵.Johnson and Cook經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫綇V泛應(yīng)用.J-C模型認(rèn)為材料在高應(yīng)變率下表現(xiàn)為應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化效應(yīng)，具體可表示為:

式中:A，B，n，C，m為材料自身決定的常數(shù);θm為材料的熔點(diǎn)溫度;θr為室溫;˙εo為參考應(yīng)變速率，此處取值為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速度10-5s-1.

式(1)的第1部分表示應(yīng)變對流動(dòng)應(yīng)力的影響因子;第2部分表示應(yīng)變速率對流動(dòng)應(yīng)力的影響因子;第3部分表示溫度對流動(dòng)應(yīng)力的影響因子.采用分離式Hopkinson壓桿進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)獲得具體參數(shù)，取值如下:A=1000;B=600;n=0.45;c= 0.037;m=1.32.

1.3 切削參數(shù)的選擇

工件材料為高溫鎳基合金(GH4169)，刀具材料為TiCN涂層硬質(zhì)合金，具體切削參數(shù)見表1.

表1 切削參數(shù)Table 1 Cutting parameter

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 鋸齒狀切屑模擬結(jié)果與分析

在切削速度40 m/min，背吃刀量0.2 mm，刀具前角-5°的條件下模擬了鋸齒狀切屑形成過程(圖2)，第一變形區(qū)存在明顯的塑性剪切滑移帶并產(chǎn)生周期性排列的鋸齒狀切屑.圖3～5分別為鋸齒狀切屑內(nèi)各變量的分布圖.由圖3，4可知，絕熱剪切帶中心應(yīng)變和應(yīng)變速率均為最大，應(yīng)變?yōu)?.019，應(yīng)變速率為121603.75s-1，并向基體四周減小，說明切削中伴隨著大應(yīng)變、高應(yīng)變率的特征.圖5中，鋸齒狀切屑的溫度分布與應(yīng)變和應(yīng)變率分布相似，第一變形區(qū)的高應(yīng)變、高應(yīng)變速率產(chǎn)生了較高的切削溫度，而在刀屑接觸區(qū)的進(jìn)一步強(qiáng)烈摩擦與切屑變形的作用下使刀尖附近的前刀面上產(chǎn)生了第二高溫區(qū)，所以絕熱剪切帶明顯出現(xiàn)了高溫帶并延續(xù)到刀屑接觸的前刀面上，為能更清楚地了解鋸齒狀切屑的形成機(jī)理，選鋸齒狀切屑的第2屑塊為研究對象見圖6.

由圖6a)知，隨著刀具的推進(jìn)，首先在切屑的外表面和刀尖處承受很大的應(yīng)變，約為0.305.當(dāng)切削至圖6b)時(shí)，應(yīng)變增加到0.555，切屑開始外凸同時(shí)切屑溫度升高，材料塑性增加.切削至圖6c)時(shí)，應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度進(jìn)一步增加，局部高溫導(dǎo)致材料熱軟化和屈服，剪切區(qū)局部強(qiáng)度下降，在刀具的推擠下，第一變形區(qū)產(chǎn)生集中滑移誘發(fā)絕熱剪切帶的出現(xiàn).絕熱剪切帶內(nèi)的溫度具有急劇升高和急劇降低的特征，一旦變形終止，絕熱剪切帶的溫度急劇下降，材料塑性降低，熱軟化效應(yīng)結(jié)束.圖6d)中第2個(gè)鋸齒狀屑塊已完全形成，同時(shí)進(jìn)入第3個(gè)屑塊的開始階段.如此變化，產(chǎn)生了周期性排列鋸齒狀切屑.

圖2 鋸齒狀切屑形成示意圖Fig.2 Illustration of saw-tooth chip

圖3 等效應(yīng)變分布Fig.3 Distributing of equivalent strain

圖4 等效應(yīng)變速率分布Fig.4 Distributing of equivalent strain rate

圖5 切削溫度分布Fig.5 Distributing of cutting temperature

圖6 第2個(gè)鋸齒狀切屑的形成過程Fig.6 Formation course of second saw-tooth chip

2.2 不同切削參數(shù)下的鋸齒狀切屑變形程度模擬結(jié)果與分析

鋸齒狀切屑的變形程度用鋸齒化程度GS以及齒距P來定量表示，其中齒距P指相鄰兩齒間對應(yīng)位置的距離，齒距的大小還與切削力的周期性波動(dòng)有聯(lián)系，所以很有必要研究齒距受切削條件的影響規(guī)律.GS的定義如下(各尺寸如圖7):

式中:GS為切屑鋸齒化程度;H為從切屑底部測量的鋸齒塊高度;h1為鋸齒根部的高度.

圖7 鋸齒形切屑幾何表征Fig.7 Geometry token for saw-tooth Chip

從模擬結(jié)果分別繪制了鋸齒狀切屑的齒距P、鋸齒化程度GS隨刀具前角、切削速度、背吃刀量的變化規(guī)律，如圖8～10.由圖8分析可知，刀具前角對鋸齒狀切屑變形程度有著重要的影響，在相同切削速度和背吃刀量的條件下，隨著刀具前角的減小，鋸齒狀切屑變形程度增加.這是因?yàn)殡S著刀具前角的減小，切屑流出不暢，切削力、刀-屑摩擦力、應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度均增大，使得切屑變形加劇.由圖9，10可知，切削速度與背吃刀量對鋸齒狀切屑變形程度的影響一致，隨著切削速度的提高、背吃刀量的增加，鋸齒狀切屑的鋸齒化程度不斷增加，這是因?yàn)殡S著切削速度與背吃刀量的增加導(dǎo)致應(yīng)變和應(yīng)變率增加，溫度急劇升高，絕熱剪切現(xiàn)象加劇，鋸齒狀切屑變形程度增加.切削參數(shù)對高溫鎳基合金(GH4169)鋸齒化程度影響規(guī)律與文獻(xiàn)［7］相似.

圖8 刀具前角對齒距、鋸齒化程度的影響Fig.8 Influence of zigzag level at different tool rake angles

圖9 切削速度對齒距、鋸齒化程度的影響Fig.9 Influence of zigzag level at different cutting speeds

圖10 背吃刀量對齒距、鋸齒化程度的影響Fig.10 Influence of zigzag level at different cutting depths

2.3 不同切削參數(shù)下切削力模擬結(jié)果與分析

用單因素法模擬了刀具前角、切削速度和背吃刀量對切削力的影響規(guī)律如圖11～13，由圖可見，鋸齒狀切屑使刀具發(fā)生周期性的振動(dòng)而使切削力曲線呈波浪狀，加工中刀具前角、切削速度和背吃刀量的變化都會引起切削力變化，但對切削力的影響各不相同(圖14):背吃刀量對切削力影響最大，背吃刀量增加一倍，切削力增加一倍左右;切削力隨刀具前角的增加而減小，因?yàn)榍敖窃龃螅行甲冃纬潭葴p小，切削力減小;刀具前角由-10°增加到5°，切削力減小約18%;切削速度對切削力影響不大，據(jù)上述分析，對切削力影響最大的因素是背吃刀量，其次為刀具前角.在選擇切削參數(shù)時(shí)，為保證切削效率和系統(tǒng)剛性，可以優(yōu)先選取較高切削速度，粗加工時(shí)，為保證刀具剛度，選用較小前角，精加工則相反.

圖11 前角對切削力的影響Fig.11 Influence of cutting force at tool rake angles

圖12 切削速度對切削力的影響Fig.12 Influence of cutting force at cutting speeds

圖13 背吃刀量對切削力的影響Fig.13 Influence of cutting force at cutting depths

圖14 切削參數(shù)對切削力的影響比較Fig.14 Influence of cutting parameter to cutting force

3 結(jié)論

1)文中模擬出高溫鎳基合金(GH4169)鋸齒狀切屑，從應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度分布圖明顯可見絕熱剪切滑移帶的存在并用絕熱剪切理論探討了鋸齒狀切屑的成形機(jī)理.

2)得出切削參數(shù)對鋸齒狀切屑變形程度的影響規(guī)律:齒距及鋸齒化程度隨著刀具前角增大而減小，隨著切削速度、背吃刀量增大而增大，也即前角增大，切屑變形程度減小;切削速度、背吃刀量增大，切屑變形程度增加.

3)高溫鎳基合金(GH4169)切削仿真表明:切削力隨背吃刀量的增加而增加，隨刀具前角的增大而減小，切削速度對切削力影響不大，從影響的程度看:背吃刀量影響最大，刀具前角次之，切削速度影響最小.

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(責(zé)任編輯:顧 琳)

Study on saw-tooth chip of nickel-based alloy based on FEM Simulation

Guan Xiaoyan，Wu Aisheng，Chen Yajie，Wu Huaqiang
(School of Mechanical and Dynamical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

The cutting model of Nickel-based alloy is established by FEM simulation，the distribution of strain rate，strain and temperature in the cutting process are obtained and the formation mechanism of saw-tooth chip is discussed by using the adiabatic shear theory.The effect of cutting performance on the zigzag level of saw-tooth chip is also simulated.It is indicated that the zigzag level of saw-tooth chip weakens with increase of tool rake angle，but strengthens with increase of cutting speed and back cutting depth.The model can be used to optimize machining parameters and improve the manufacturing quality.

serrated chip;FEM;adiabatic shear band;Nickel-based alloy

TG501

A

1673-4807(2014)01-0145-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.02.009

2013-09-06

江蘇省自然科學(xué)資金資助項(xiàng)目(BK2006082);江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(O4KJB460005)

管小燕(1980—)，女，講師，研究方向?yàn)榫G色制造技術(shù)、現(xiàn)代制造技術(shù).E-mail:guanxiaoyankb@163.com