基于AdvantEdge FEM的Ti6242鈦合金切削力仿真與試驗研究

李寶棟，唐林虎，易湘斌，沈建成，徐創(chuàng)文

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

Ti6242鈦合金具有比較高的強(qiáng)度、韌性和抗蠕變性能，是生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片和機(jī)匣等零件的主要材料[1,2]。由于Ti6242的導(dǎo)熱系數(shù)和彈性模量均比較低，使得刀具磨損嚴(yán)重[3,4]。切削力的大小對刀具磨損有重要影響[5]，本文進(jìn)行Ti6242鈦合金的車削仿真并進(jìn)行試驗驗證，研究切削Ti6242過程中切削速度、進(jìn)給量、切削深度對切削力的影響，從而為研究切削Ti6242的刀具磨損、提高其加工效率提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 材料特性

鈦合金Ti6242材料的組成為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，是一種可在500 ℃左右使用的一種近α 型高溫鈦合金。其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 Ti6242的主要性能指標(biāo)

1.2 切削模型

采用美國ThirdWaveSystems公司的AdvantEdge FEM 7.1切削仿真軟件，建立2D車削仿真模型。工件選用工件材料庫中的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo鈦合金材料。刀具選擇硬質(zhì)合金TiAlN涂層刀具（涂層厚度為4μm，刃口半徑為0.02mm，前角為7°，后角為5°）。切削長度為5mm。圖1為在AdvantEdge FEM7.1環(huán)境下建立的2D車削仿真模型。

圖1 2D車削仿真模型

2 仿真結(jié)果及試驗驗證

2.1 試驗設(shè)計及結(jié)果

選取切削速度、進(jìn)給量、切削深度為影響因素進(jìn)行中心復(fù)合試驗設(shè)計（如表2所示），然后在進(jìn)行TiAlN涂層刀具車削Ti6242仿真。主切削力仿真結(jié)果（取切削行程為1mm～4mm之間的切削力平均值）如表3所示。

表2 仿真試驗因素水平表

表3 試驗設(shè)計及仿真結(jié)果

2.2 主切削力數(shù)學(xué)模型的建立

建立車削Ti6242鈦合金的主切削力二次響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型。主切削力Fx為該模型的響應(yīng)變量，切削速度vc、進(jìn)給量f和切削深度ap為輸入變量。將表3中的仿真結(jié)果進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸，得到主切削力的二次響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型。如式(1)所示。

該模型的方差分析結(jié)果如表4所示。模型的P值小于0.001，說明模型顯著。從表中還可以發(fā)現(xiàn)vc、f、ap、f×ap和f2的P值均小于0.05，說明這幾個因素對二階響應(yīng)曲面模型影響程度最深。

表4 方差分析

2.3 試驗驗證

為了驗證式(1)所示主切削力數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，采用CA6140普通車床進(jìn)行Ti6242鈦合金的車削試驗，Kistler 9257C測力儀測量主切削力。試驗現(xiàn)場如圖2所示。采用CCMT120408-MM GC1105硬質(zhì)合金刀片（TiAlN涂層，車刀前角為7，車刀后角為5）和DCLNL 1616H刀桿。將試驗獲得的主切削力平均值與通過式(1)計算的結(jié)果進(jìn)行對比分析（如表5所示）?？芍?1)計算結(jié)果與車削試驗結(jié)果的誤差均小于14%。所以本文建立的主切削力數(shù)學(xué)模型有一定的參考價值。

圖2 試驗現(xiàn)場

表5 主切削力計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

3 結(jié)果討論

圖3～圖5為基于Design expert 8軟件的切削用量（切削速度、進(jìn)給量、切削深度）影響主切削力的等高線圖?？偟膩碚f，車削Ti6242鈦合金的主切削力隨著切削速度的增加緩慢降低，隨著進(jìn)給量和切削深度的增加顯著上升。這是由于當(dāng)切削深度和進(jìn)給量增大時，車刀和工件在有效切削區(qū)域的接觸面積變大，進(jìn)而使變形和摩擦增大，導(dǎo)致主切削力快速上升。而切削速度的增大使得剪切角增大，進(jìn)而使變形和摩擦減小，再加上由于切削速度的增大會導(dǎo)致切削區(qū)溫度升高，導(dǎo)致Ti6242的切削層發(fā)生軟化，強(qiáng)度和硬度相應(yīng)降低，使得主切削力也隨之降低。

圖3 切削速度和進(jìn)給量對主切削力的影響

圖4 切削速度和切削深度對主切削力的影響

圖5 進(jìn)給量和切削深度對主切削力的影響

4 結(jié)束語

1）建立的主切削力二次響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型的擬合效果顯著，且計算結(jié)果與車削試驗結(jié)果的誤差均小于14%，所以該模型有一定的參考價值。

2）TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具車削Ti6242鈦合金的主切削力隨著切削速度的增加緩慢降低，隨著進(jìn)給量和切削深度的增加顯著上升。