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    鈦合金高速銑削力的有限元分析

    2016-08-16 03:47:30山西中北大學機械與動力工程學院倪雪婷沈興全曹衛(wèi)衛(wèi)張繼明李忠秋
    河北農(nóng)機 2016年1期
    關(guān)鍵詞:切削速度抗力進給量

    山西中北大學機械與動力工程學院 倪雪婷 沈興全 曹衛(wèi)衛(wèi) 張繼明 李忠秋

    鈦合金高速銑削力的有限元分析

    山西中北大學機械與動力工程學院倪雪婷沈興全曹衛(wèi)衛(wèi)張繼明李忠秋

    將鈦合金Ti6Al4V高速銑削加工過程簡化為二維切削有限元模型,運用ABAQUS分析得到了加工參數(shù)及刀具幾何參數(shù)對銑削力的影響。由結(jié)果得出:刀具轉(zhuǎn)速與進給量從600rpm,10mm/s變化到 2400rpm,40mm/s時對最大切向力與最大切深抗力的影響較為顯著;刀具前角在 5~ 15°范圍內(nèi)的增大有利于銑削力的降低。

    鈦合金;銑削力;有限元

    1引言

    鈦合金具有強度高、抗高溫能力強、耐磨性好、綜合力學性能好等特性,因而應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛,但同時鈦合金又具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、比強度高、抗腐蝕性能好等特點,屬于難加工材料[1-2]。銑削力是加工過程中重要的物理量,銑削力對銑削機理、刀具、機床、夾具的設(shè)計、銑削用量的確定、刀具的幾何參數(shù)優(yōu)化等的研究都有很重要的意義。[3-4]

    運用ABAQUS建立簡化的二維切削有限元模型對鈦合金Ti6Al4V的銑削加工過程進行模擬研究,得到轉(zhuǎn)速、進給量、刀具前角參數(shù)對銑削力的影響規(guī)律。

    2模擬過程分析

    可以將銑削的三維切削轉(zhuǎn)化為二維切削建立模型,計算刀具的等效前角和等效后角,能更加準確地實現(xiàn)銑削過程的預(yù)測。

    模擬過程分為3個階段:(1)起始階段:施加載荷及約束,約束底面自由度,給刀具施加初始切削速度;(2)切削階段:刀具對工件進行切削,擠壓產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生大量的熱。(3)約束轉(zhuǎn)換及冷卻階段:切削完成后,去除位移邊界條件,添加約束限制工件運動,將工件的溫度冷卻至室溫。

    3模擬結(jié)果分析

    3.1轉(zhuǎn)速和進給量的影響

    三組模型參數(shù)采用600rpm,10mm/s 、1500rpm,25mm/s、2400rpm,40mm/s,刀具前角10°,后角5°。

    圖1中的(1)、(2)、(3)是不同刀具轉(zhuǎn)速與進給量對銑削力的影響。從圖中可以看出,在刀具接觸工件后切向力RF1和切深抗力RF2迅速增大至峰值,切向力和切深抗力在逐漸減小的同時上下波動,刀具轉(zhuǎn)速與進給量從600rpm,10mm/s變化到2400rpm,40mm/s時對最大切向力與最大切深抗力的影響較為顯著,其波動幅度要明顯增大。

    圖1刀具轉(zhuǎn)速與進給量對銑削力的影響

    圖2為刀具轉(zhuǎn)速與進給量對最大銑削力與平均銑削力的影響關(guān)系。從圖中可以得出,刀具轉(zhuǎn)速與進給量增大時,最大切向力與平均切向力、最大切深抗力與平均切深抗力都會減小,并且最大切向力與最大切深抗力減小較快。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于在低速切削時,切削力是隨切削速度的增大而增大的,但當其增大到一定程度達到其高速切削速度范圍時,切削力反而會下降,這也是高速切削的優(yōu)勢所在。3.2刀具前角的影響

    圖2 刀具轉(zhuǎn)速與進給量對最大和平均銑削力的影響

    三組刀具前角分別取 5°、10°和15°,后角5°,刀具轉(zhuǎn)速取1500rpm,進給量取25mm/s。

    圖3為刀具前角對最大與平均銑削力的影響。從圖中可以看出,隨著刀具前角的增大,最大切向力、最大切深抗力、平均切向力與平均切深抗力都是減小的,這說明刀具前角在一定范圍內(nèi)的增大是有利于銑削力的降低的。

    圖3 刀具前角對最大和平均銑削力的影響

    4結(jié)論

    (1)刀具轉(zhuǎn)速與進給量從600rpm,10mm/s變化到2400rpm,40mm/s時對最大切向力與最大切深抗力的影響較為顯著,一定范圍內(nèi)的高速切削有利于銑削力降低。

    (2)刀具前角在5°到15°的范圍內(nèi)增大有利于銑削力的降低。

    [1]張春江.鈦合金切削加工技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1986:22-24.

    [2]劉軍偉,武導(dǎo)俠,姚倡鋒.TC4鈦合金高速銑削力研究 [J].機床與液壓,2013,41(19):1-7.

    [3]楊振朝,張定華,姚倡鋒等.TC11鈦合金插銑加工銑削力影響參數(shù)的靈敏度分析[J].航空學報,2009,30(9):1776-1381.

    [4]王明海,李世永,王京剛等.航空鈦合金Ti6Al4V的三維銑削加工有限元仿真 [J].機械科學與技術(shù),2014,33(7):1036-1039.

    倪雪婷,1989年出生,山西太原人,在讀碩士,研究方向:鈦合金高速銑削加工?;痦椖浚簢易匀豢茖W基金(51175482)

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