A286高溫合金切削性能有限元仿真分析

潘克強(qiáng)

摘 要：針對A286高鎖螺母切削過程中因切削力引起的變形，導(dǎo)致鎖緊、擰斷力矩變化的問題，基于ABAQUS建立三維車削模型，通過采用J-C本構(gòu)方程進(jìn)行模擬，獲得不同切削狀態(tài)下切屑、切削力和應(yīng)力變化曲線圖，應(yīng)用有限元仿真進(jìn)一步分析不同切削狀態(tài)對切屑、切削力和應(yīng)力變化規(guī)律的影響，為A286高鎖螺母實(shí)際切削加工參數(shù)的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：高溫合金;有限元仿真;切削狀態(tài);切削力

中圖分類號：TH161文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0029-03

Abstract： Aiming at the problem that the deformation caused by cutting force in the cutting process of A286 high lock nut leads to the change of locking and screwing torque， a three-dimensional turning model was established based on ABAQUS. The curves of chip， cutting force and stress under different cutting conditions were obtained by using J-C constitutive equation. The finite element simulation was applied to further analyze the effects of different cutting conditions on chip， cutting force and stress the influence of the variation law provides a reference for the selection of actual cutting parameters of A286 high lock nut.

Keywords： superalloy;finite element simulation;cutting conditions;cutting force

高鎖螺母、高鎖螺栓連接副具有強(qiáng)度高、抗疲勞、自鎖、防振，并能實(shí)現(xiàn)高效的單面裝配等優(yōu)點(diǎn)，其連接組件可提高結(jié)構(gòu)連接區(qū)域疲勞壽命1.7～2.5倍[1]。依靠精巧的斷頸槽結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)施加一定力矩時，斷頸槽斷裂工藝部分被擰斷，減輕了緊固件重量，同時工作部分完成高鎖連接副的裝配。

A286是以金屬間化合物γ'相強(qiáng)化時效沉淀強(qiáng)化型鐵基高溫合金[2]，適合制造長期工作在650 ℃以下的高溫承力部件[3]。但是，在A286高溫合金切削加工過程中，產(chǎn)生大量的切削熱，工件表面出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，導(dǎo)致表面硬化，局部應(yīng)力增大，材料切除困難。此外，高鎖螺母斷頸槽壁厚較薄，甚至?xí)霈F(xiàn)工件變形，使零件尺寸一致性較差，影響力學(xué)性能，無法滿足力學(xué)性能要求。因此，對A286高溫合金的切削特性進(jìn)行研究尤為重要。

1 A286切削過程ABAQUS仿真

1.1 模型的定義

在模擬車削實(shí)際加工過程中，工件以一定的速度[n]轉(zhuǎn)動，刀具以一定的切削深度[ap]沿回轉(zhuǎn)軸線按進(jìn)給速度[f]切削，實(shí)現(xiàn)材料從坯料上去除。本文應(yīng)用仿真軟件建立了不同切削狀態(tài)下高鎖螺母斷頸槽有限元三維模型，研究了A286高溫合金在不同車削狀態(tài)下的仿真結(jié)果。在仿真過程中，將刀具設(shè)置為剛體且具備熱傳導(dǎo)性能 ，刀具繞高鎖螺母中心線旋轉(zhuǎn)，忽略仿真過程中由溫度變化引起的物理化學(xué)變化。然后，考慮動力學(xué)、材料斷裂、接觸屬性和仿真切削過程中的熱力耦合問題。高鎖螺母切削仿真模型如圖1所示。斷頸槽回轉(zhuǎn)半徑為3.8 mm，壁厚為0.825 mm，切削寬度為0.5 mm。工件選用C3D8T八節(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元，刀具選擇常用的硬質(zhì)合金YG8材料[4]。

1.2 材料本構(gòu)模型

金屬切削仿真是非常復(fù)雜的過程，在材料塑性變形過程中伴隨大量的切削熱、大應(yīng)變和高應(yīng)變率。材料本構(gòu)模型的選擇將直接影響切削仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和仿真是否具有實(shí)際意義[5-6]。

Johnson-Cook模型可以很好地模擬A286高溫合金在不同切削狀態(tài)過程中的加工硬化、應(yīng)變率和熱軟化效應(yīng)。本文在ABAQUS建模過程中，采用Johnson-Cook本構(gòu)模型模擬A286高溫合金的參數(shù)定義，如式（1）所示。A286高溫合金材料參數(shù)如表1所示，Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置如表2所示。

式中：[σ]為等效應(yīng)力;[ε]為等效塑性應(yīng)變;[ε]為等效塑性應(yīng)變率;[ε0]為參考應(yīng)變率;[T]為工件溫度;[Tr]為室溫（通常設(shè)置為20 ℃）;[Tm]為工件材料熔化溫度;[A、B、C、n、m]為Johnson-Cook模型材料物理特性常數(shù)[5]。

1.3 切屑斷裂失效模型

切屑形成過程采用與材料模型對應(yīng)的Johnson-Cook斷裂失效模型定義，如式（2）所示，當(dāng)失效參數(shù)值[D]大于1時，認(rèn)為網(wǎng)格單元失效并刪除網(wǎng)格，形成切屑。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 不同切削狀態(tài)下的切屑形態(tài)

本文通過單因素法研究不同切削狀態(tài)下切屑的形態(tài)，即只改變刀具前角，其他參數(shù)保持不變，切削參數(shù)設(shè)置為切削速度[vc] =630 m/min，切削深度[ap]=0.18 mm，刀具進(jìn)給量[f]=0.12 mm。刀具前角分別選擇7.5°、12.5°、17.5°等進(jìn)行斷頸槽的切削加工模擬，獲得的不同切削狀態(tài)下切屑形態(tài)如圖2所示。

通過仿真結(jié)果可知，在相同的切削速度、切削深度和進(jìn)給量下，不同切削狀態(tài)下切屑均出現(xiàn)鋸齒形態(tài)。