鈦合金高速銑削殘余應(yīng)力的有限元分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　倪雪婷　沈興全　曹衛(wèi)衛(wèi)　張繼明　李忠秋

鈦合金高速銑削殘余應(yīng)力的有限元分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)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(guò)程簡(jiǎn)化為二維切削有限元模型，運(yùn)用ABAQUS分析得到了各因素以及順次銑削對(duì)工件已加工表面殘余應(yīng)力的影響。由結(jié)果得出：表面殘余應(yīng)力隨著刀具前角的增大而逐漸減小，隨切削速度的增大而增大，切削深度影響較小。

鈦合金；有限元；殘余應(yīng)力

1　引言

鈦合金具有強(qiáng)度高、抗高溫能力強(qiáng)、耐磨性好、綜合力學(xué)性能好等特性，因而應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，但同時(shí)，鈦合金又具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，屬于難加工材料［1］。殘余應(yīng)力對(duì)表面加工質(zhì)量有重要影響，分布不均會(huì)造成工件的變形，影響工件加工精度［2］。

陳建嶺［3］等人研究了合適的加工參數(shù)可以控制殘余應(yīng)力的影響。陸濤［4］等人研究了切削過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變、溫度場(chǎng)、切削力等在切削過(guò)程中的分布和變化。鄭耀輝［5］等人研究了高速銑削時(shí)不同刀具參數(shù)和切削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

運(yùn)用ABAQUS建立簡(jiǎn)化的二維切削有限元模型對(duì)鈦合金Ti6Al4V的高速銑削加工過(guò)程進(jìn)行模擬研究，得到刀具前角、切削速度、切削深度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

2　模擬過(guò)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(jì)算刀具的等效前角和等效后角，能更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)銑削過(guò)程的預(yù)測(cè)。

模擬過(guò)程分為3個(gè)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(duì)工件進(jìn)行切削，擠壓產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生大量的熱，圖1所示為刀具切削工件階段的有限元圖。（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(yùn)動(dòng)，將工件的溫度冷卻至室溫。

圖1　刀具切削工件階段

3　模擬結(jié)果分析

3.1刀具前角的影響

刀具前角分別取 10°、15°及20°，切削速度為220m/min，切深為0.5mm，圖2為對(duì)殘余應(yīng)力σ11的影響情況，刀具前角增大工件表層殘余拉應(yīng)力減小，這是因?yàn)榈毒邔?duì)工件表面的擠壓變小使由變形產(chǎn)生的熱量減少。殘余拉應(yīng)力是由熱塑性變形造成的，刀具的前刀面與工件的摩擦減小，摩擦熱也減少，所以它也相應(yīng)地減小。

圖2　刀具前角對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.2切削速度的影響

取刀具前角為 10°，切削速度VC=140、220、300m/min，切深0.5mm，殘余應(yīng)力的分布情況如圖3所示。由圖3可以看出，殘余應(yīng)力隨切削速度增大而增大，沿深度方向在距離加工表面 0.1～0.15mm時(shí)，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力過(guò)渡，而殘余應(yīng)力層的厚度沒(méi)有明顯變化。這是由于切削速度增加切削溫度升高，熱塑性變形起主導(dǎo)作用使得殘余應(yīng)力增加。然而溫度的升高得不到及時(shí)擴(kuò)散殘余拉應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

圖3　切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.3切削深度的影響

取刀具前角為10°，切削速度為220m/min，圖4為切削深度在 0.3、0.5 0.7mm時(shí)殘余應(yīng)力的變化曲線圖。由圖4可以看出，切削深度對(duì)殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力層的影響較小。

圖4　切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

4　結(jié)論

（1）刀具前角增大，殘余拉應(yīng)力逐漸減小。

（2）切削速度增大，殘余應(yīng)力逐漸增大，沿深度方向，在距離加工表面0.1～0.15mm時(shí)，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力過(guò)渡，而殘余應(yīng)力層的厚度沒(méi)有明顯變化。

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

［2］王明海，王京剛，鄭耀輝等.鈦合金高速銑削加工的有限元模擬與分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，34（6）：898-902.

［3］陳建嶺，李建峰，孫杰等.鈦合金銑削加工表面殘余應(yīng)力研究 ［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2010，32（1）：53-57.

［4］陸濤，向國(guó)齊，張敬東.鈦合金Ti6Al4V高速銑削分析與仿真［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（5）：149-151.

［5］鄭耀輝，王京剛，王明海等.鈦合金高速銑削加工表面殘余應(yīng)力的模擬研究［J.機(jī)床與液壓，2015，43（1）：41-44.

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。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51175482）；