Ti6Al4V鈦合金超聲振動車削加工效果的有限元仿真分析

李會文，皮云云

順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院

1 引言

鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐熱性高和耐蝕性好等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金和醫(yī)療等領(lǐng)域。但鈦合金的工藝性能差、切削溫度高和單位面積切削力大等缺點給切削加工帶來了一定困難[1]。

國內(nèi)外學(xué)者通過探索和研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動車削能有效改善鈦合金的加工性能[2]。超聲振動車削是指將20～50kHz頻率的超聲振動應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域，最早由日本隈部淳一郎于1978年提出，至今已有40多年發(fā)展歷史[3]。與傳統(tǒng)車削相比，超聲振動輔助車削是將周期性的超聲振動施加在刀具與工件接觸處，使刀具切削刃與工件的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，從而改變切削效果。徐文君等[4]將橢圓超聲振動應(yīng)用于細長軸車削試驗發(fā)現(xiàn)，橢圓超聲振動車削能減小三個方向的切削力，且能改善細長軸的表面質(zhì)量。張躍敏等[5]建立超聲振動輔助銑削系統(tǒng)的動力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測的系統(tǒng)穩(wěn)定性曲線與實驗結(jié)果基本吻合。邵振宇等[6]將超聲振動引入普通鉆削發(fā)現(xiàn)，超聲鉆削鈦合金時鉆削力和扭矩明顯降低，提高了主切削刃和鉆頭橫刃的切削能力，并改善了切削過程的穩(wěn)定性。李哲等[7]通過對比分析普通鉆削和超聲振動鉆削鈦合金時出口毛刺形成過程發(fā)現(xiàn)，超聲振動鉆削大大提高了鉆頭刀具的切削能力，并降低了切削力、切削溫度及生產(chǎn)成本。趙亭等[8]研究了鈦合金低頻振動時的鉆屑形態(tài)，發(fā)現(xiàn)振幅和進給量之比接近某個臨界值時斷屑可靠。以上研究顯示，超聲振動能改善鈦合金在傳統(tǒng)切削加工中切削力較大和切削不穩(wěn)定等問題。

超聲振動在鈦合金切削加工方面的研究主要集中在銑削和鉆削等加工方式。將超聲振動應(yīng)用到鈦合金車削加工的研究較少，尤其是有限元分析方面，現(xiàn)有文獻少有討論。本文以Ti6Al4V鈦合金作為工件材料，建立普通車削和超聲振動車削的Deform二維有限元模型，對比分析切屑內(nèi)部產(chǎn)生的等效應(yīng)變、切屑形態(tài)和切削力，總結(jié)相關(guān)規(guī)律。

2 有限元建模

2.1 本構(gòu)模型和刀具材料

在切削加工過程中，Ti6Al4V會產(chǎn)生劇烈彈塑性變形，變形過程中材料的屈服應(yīng)力會受到應(yīng)變率和切削熱的劇烈影響，因此，應(yīng)選擇應(yīng)包含應(yīng)變、應(yīng)變率和熱軟化參數(shù)的Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型能夠較準確地預(yù)測切削Ti6Al4V鈦合金時的塑性變形。Johnson-Cook本構(gòu)模型的公式為

(1)

刀具材料選擇PCD刀具[10]。Ti6Al4V的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)見表1。

表1 Ti6Al4V的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

2.2 普通車削和超聲振動車削有限元模型

為節(jié)約模擬分析時間，將三維切削簡化為二維正交切削模型[11，12]。圖1為普通車削和超聲振動車削的有限元模型。工件的長度尺寸和寬度尺寸分別設(shè)置為50mm和10mm。待切厚度設(shè)置為0.6 mm，滿足平面應(yīng)變的要求。由于刀具材料的硬度遠遠大于工件材料的硬度，模擬時將刀具設(shè)置為剛體，工件設(shè)置為塑性體，其網(wǎng)格模型見圖1。工件和刀具的網(wǎng)格類型設(shè)置為四節(jié)點等應(yīng)變平面應(yīng)變單元。工件和刀具的初始網(wǎng)格數(shù)分別設(shè)置為6000和200。為提高仿真精度，將工件初始切削位置的網(wǎng)格進行更精細地網(wǎng)格劃分(見圖1)，此時工件網(wǎng)格數(shù)和刀具網(wǎng)格數(shù)分別為6121和210。

(a)普通車削

2.3 邊界條件

在普通車削模擬仿真中，將工件固定，刀具以速度vc向左移動(見圖1a)。刀具前角α和刀具后角γ分別為20°和10°，工件和刀具的初始溫度設(shè)置為20℃，工件和刀具的紅色邊界表示與環(huán)境進行熱交換，將工件和刀具的摩擦關(guān)系簡化為庫倫摩擦。

在超聲振動車削仿真中，施加軸向超聲振動(見圖1b)，振動頻率和振幅分別設(shè)置為20kHz和8μm，其他邊界條件與普通車削相同。

2.4 超聲振動車削的運動曲線

用Deform軟件進行二維超聲振動車削仿真時，無法直接施加軸向超聲振動曲線，為準確模擬刀具的切削軌跡，在系統(tǒng)中添加刀具的路徑曲線。超聲振動車削仿真時，刀具X方向切削速度為vc，其位移SX可表示為

SX=vct

(2)

刀具Y方向為超聲振動，刀尖運動軌跡SY可表示為

SY=asinωt

(3)

式中，t為時間(s)；a為振幅(μm)；ω為角頻率，ω=2πf(f為振動頻率，單位為kHz)。

將X方向和Y方向的運動數(shù)據(jù)導(dǎo)入Deform軟件后，生成路徑曲線。圖2為刀具在一個周期內(nèi)的路徑曲線，紅色直線表示刀具沿負X軸方向位移，綠色曲線表示刀具刀尖在正Y軸方向的運動軌跡。

圖2 超聲振動車削路徑曲線

3 有限元仿真結(jié)果與對比分析

3.1 等效應(yīng)變分布和切屑形態(tài)的對比分析

其他切削參數(shù)不變，改變刀具切削速度[13]，分別取切削速度為92mm/s，183mm/s，367mm/s，733mm/s，1466mm/s，分析不同刀具切削速度對切屑形態(tài)的影響，并對兩種切削加工方式切出的切屑形態(tài)進行對比。

3.1.1 等效應(yīng)變分布對比分析

模擬Ti6Al4V切削加工時，可以清楚觀察到切屑及工件內(nèi)部熱力學(xué)參數(shù)的變化，本節(jié)只討論等效應(yīng)變的分布情況。

圖3和圖4分別為普通車削和超聲振動車削過程中等效應(yīng)變分布情況。可以看出，當改變切削速度和切削方式時，等效應(yīng)變始終呈帶狀分布[14]；所有切削參數(shù)下的等效應(yīng)變最大值都位于刀具與切屑接觸的第二變形區(qū)，并以此為中心，向兩邊發(fā)散；以最大等效應(yīng)變點為起點，沿切屑的寬度方向和長度方向可發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)變越來越小，且呈梯度分布，切屑頂端的等效應(yīng)變最小，這是因為切屑頂端最早與刀具分離，隨著切削時間增加，應(yīng)變會降低，直至為0。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，圖中的帶形不規(guī)則，沿切屑的長度方向呈波狀，存在峰和谷，峰值出現(xiàn)在切屑中鋸齒的頂部，谷值出現(xiàn)在鋸齒的根部。

(a)vc=92mm/s

(a)vc=92mm/s

圖5為超聲振動車削和普通車削在不同切削速度下的最大等效應(yīng)變曲線?？芍S著切削速度增大，超聲振動車削的最大等效應(yīng)變曲線始終處于普通車削的上方。在相同切削參數(shù)下，等效應(yīng)變越大，切屑內(nèi)部發(fā)生的塑性變形也越大，切屑形狀也會受到影響，表明引入超聲振動加劇了工件材料內(nèi)部的塑性變形。當切削速度增大時，普通車削和超聲振動車削的最大等效應(yīng)變沒有表現(xiàn)出恒定變化規(guī)律，且兩種加工仿真過程中產(chǎn)生的最大等效應(yīng)變值始終在1.5～2.0。分析認為，切削速度的變化對最大等效應(yīng)變值的影響較小。

圖5 超聲振動車削和普通車削在不同切削速度下的最大等效應(yīng)變曲線

3.1.2 切屑形態(tài)對比分析

圖6為鋸齒切屑參數(shù)。將鋸齒頂點到切屑齒根對應(yīng)點的垂直距離定義為齒高，切屑齒形一側(cè)輪廓線與切屑底部所夾銳角定位為剪切角，相鄰兩個鋸齒頂點間的距離定義為齒距，鋸齒頂點到切屑底部對應(yīng)點的距離定位為鋸齒厚度。

圖6 鋸齒切屑參數(shù)

圖6中，沿著切屑長度方向，不同切屑速度下的每個鋸齒的切屑厚度并不完全相等，為了簡化分析，取其平均值。圖7為普通車削和超聲振動車削鋸齒平均厚度的曲線?？芍S著切削速度增加，普通車削和超聲振動車削鋸齒的平均厚度先增大后減小。切屑越薄，剪切角越大，切削狀態(tài)越好，超聲振動車削鋸齒的平均厚度曲線始終在普通車削的下方，表明在相同切削速度下前者的切削狀態(tài)優(yōu)于后者；在切削速度為1466mm/s時，這種優(yōu)越性幾乎消失，即兩種切削方式獲得鋸齒的平均厚度幾乎相等。由此可知，當切削速度小于733mm/s時，超聲振動能明顯減小鋸齒的平均厚度，但當切削速度增加至1466mm/s時，超聲振動的作用降低為零。

圖7 超聲振動車削和普通車削在不同切削速度下的鋸齒平均厚度

圖8和圖9為不同切削速度下的切屑形態(tài)?？芍?，當切削速度在92～1466mm/s之間變化時，超聲振動車削和普通車削得到的切屑都是鋸齒形，這是因為切削時切屑內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形所致。當切削速度和切削方式不同時，得到的切屑外形也有所差異；隨著切削速度增大，切屑變得越來越彎曲，其鋸齒化程度也越來越明顯，這是因為切削速度越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，而擴散熱量的時間越少，越來越多的熱量聚集在剪切帶內(nèi)，造成剪切帶內(nèi)發(fā)生熱塑性失穩(wěn)，進而提高了剪切帶出現(xiàn)的可能性，加劇了切屑鋸齒化現(xiàn)象[15]。

(a)vc=92mm/s (b)vc=183mm/s (c)vc=367mm/s

如圖9所示，與普通車削一樣，隨著切削速度增大，切屑的鋸齒化程度越來越明顯。在切削速度為92mm/s時，鋸齒數(shù)目只有4個；當切削速度為183mm/s時，鋸齒數(shù)目增加到6個，這也進一步證實了圖4～圖6中的等效應(yīng)變分布和最大值變化情況，即等效應(yīng)變越大，切屑內(nèi)部發(fā)生的塑性變形越大?？梢钥闯?，除切削速度為183mm/s外，其余四種切削速度下的切屑彎曲程度無明顯差異，這說明在超聲振動條件下，當切削速度大于某臨界值時，速度繼續(xù)增大對切屑彎曲影響程度不大。

(a)vc=92mm/s (b)vc=183mm/s (c)vc=367mm/s

由圖8和圖9還可以看出，切削速度為92mm/s和183mm/s時，圖9中的切屑彎曲程度更大一些；其余切削速度下，切屑的彎曲程度比較接近。當切削速度為92～1466mm/s時，對比圖8和圖9中的切屑可以看出，超聲振動切削的切屑鋸齒分布比普通車削更均勻，普通車削的部分切屑都有近似平面的區(qū)域。結(jié)合圖7對比切屑中所有相鄰兩齒的齒高和齒距可知，超聲振動切削時齒高與齒距的最大值與最小值差值遠遠小于普通車削。由此可知，切削參數(shù)相同時，超聲振動車削的加工過程要比普通車削的加工過程更平穩(wěn)，生成的切屑形狀也比普通車削更規(guī)整，可以獲得更好的切屑形態(tài)。在一定程度上，切屑形態(tài)反映了加工表面的質(zhì)量[16]，因此超聲振動車削獲得的工件表面質(zhì)量優(yōu)于普通車削。

3.2 切削力對比分析

圖10為不同切削速度下普通車削和超聲振動車削的平均主切削力和平均進給抗力曲線。

(a)平均主切削力

由圖10a可以看出，隨著切削速度增大，普通車削和超聲振動車削的平均主切削力都是先增大后減小。分析認為，當切削速度較小時，克服工件材料對彈性變形和塑性變形的抗力較小，克服切屑對刀具前刀面的摩擦力也較小，因此，當切削速度為92mm/s時，主切削力較小。當切削速度增大時，需克服的抗力和摩擦力增大，因此，在切削速度為183mm/s時，普通車削和超聲振動車削的平均主切削力都達到最大值，分別為808N和794N。由于高速切削可減小切削力，隨著切削速度的持續(xù)增大，普通車削和超聲振動車削的平均主切削力表現(xiàn)出減小趨勢。當切削速度變化時，超聲振動車削的平均主切削力曲線永遠在普通車削的下方，這表明引入超聲振動可減小平均主切削力，與普通車削相比降低1.7%～9.2%。

由圖10b可以看出，隨著切削速度增大，普通車削的平均進給抗力緩慢增大，而超聲振動車削的平均進給抗力逐漸減小。分析認為，普通車削速度較小時，容易生成積屑瘤，且隨著切削速度的增大積屑瘤增多，平均進給抗力也隨之增大[17]，但引入超聲振動可以減少或消除積屑瘤，且切削速度越大效果越明顯，因此超聲振動車削時，平均進給抗力會隨著切削速度增大而減小。切削速度小于或等于367mm/s時，普通車削的平均進給抗力小于超聲振動車削，這是因為超聲振動施加方向為進給方向，高頻率的進給方向振動使得平均進給抗力增大[18]，但當切削速度大于或等于733mm/s時，超聲振動大大減小，甚至消除了積屑瘤，從而減小了平均進給抗力，因此超聲振動車削的進給抗力小于普通車削。

其他實驗結(jié)果表明，超聲振動車削產(chǎn)生的切屑呈鋸齒形，與普通車削相比，切屑厚度更均勻[19]。在給定的加工參數(shù)范圍內(nèi)，超聲振動車削可以降低切削力[20]，本文仿真結(jié)果跟前述實驗結(jié)論一致。綜上所述，超聲振動能有效改善刀具切削效果，減小平均主切削力。

4 結(jié)語

討論了Ti6Al4V的有限元仿真超聲振動車削和普通車削的等效應(yīng)變、切屑形態(tài)和平均主切削力大小，總結(jié)如下：

(1)在本文設(shè)定的所有切削速度下，超聲振動車削和普通車削的等效應(yīng)變均呈帶狀分布，且?guī)尾灰?guī)則，沿著切屑的長度方向和寬度方向，等效應(yīng)變越來越小，呈梯度分布。超聲振動車削的等效應(yīng)變最大值曲線始終在普通車削的正上方。

(2)在不同切削速度下，超聲振動車削和普通車削得到的切屑均呈鋸齒形；與普通車削相比，超聲振動車削獲得的切屑鋸齒分布更均勻；隨著切削速度增大，超聲振動車削和普通車削獲得的切屑鋸齒平均厚度都先增大后減??；切削速度相同時，前者切屑的鋸齒平均厚度要小于后者，但兩者的差距隨著切削速度增大而逐漸減小，當切削速度為1466mm/s時差距幾乎消失。

(3)相同切削參數(shù)下，超聲振動車削時的平均主切削力小于普通車削，僅在切削速度較大時，平均進給抗力小于普通車削。結(jié)果表明，切削速度較大時，超聲振動能明顯改善切削加工。