基于ABAQUS的鎢鉬合金銑削加工參數(shù)優(yōu)化仿真及驗(yàn)證

侯詩(shī)穎，王鐵鋼，王浩，劉杰

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津 300222

1 序言

鎢、鉬在我國(guó)儲(chǔ)量豐富且分布廣泛，鎢和鉬同屬元素周期表中ⅦB族元素，是典型的高熔點(diǎn)金屬。由于鎢鉬合金具有比純鉬更高的熔點(diǎn)、比純鎢更低的密度，結(jié)合了鎢、鉬優(yōu)點(diǎn)，既具有金屬鎢高強(qiáng)度的特性和優(yōu)異的耐高溫性能，又具有鉬超強(qiáng)的耐腐蝕和抗燒蝕性能[1]，因此正成為航空航天領(lǐng)域的重要材料，可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，并且在未來的工業(yè)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景。

為了研究鎢鉬合金切削原理，學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。羅正川[2]等使用硬質(zhì)合金刀具切削鎢基合金時(shí)，刀具磨損極為迅速，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具失效的主要磨損形式是在主后刀面和副后刀面交會(huì)處出現(xiàn)的三角形磨損區(qū)。刀具磨損的主要原因是硬質(zhì)點(diǎn)引起的機(jī)械磨損，而硬質(zhì)合金中粘結(jié)劑鈷的擴(kuò)散則加速了刀具的磨損。葉毅[3]等在切削鎢基合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)晶粒或超細(xì)晶粒及表面有耐磨涂層的WC基硬質(zhì)合金刀具壽命較短，因此使用WC基硬質(zhì)合金對(duì)鎢及其合金進(jìn)行切削加工是不經(jīng)濟(jì)的。復(fù)合陶瓷刀具不適合用來切削高鎢合金材料，PCD金剛石刀具壽命與WC基硬質(zhì)合金相比并無明顯提高。鎢及其合金材料最好采用PCBN刀具且用CBN含量較多的牌號(hào)（如DBC80）來加工，這樣可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

ABAQUS有限元分析軟件是金屬切削加工仿真的常用軟件，具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可以實(shí)現(xiàn)熱力耦合。鎢鉬合金屬于難加工材料，其加工成本高、加工效率低且刀具磨損嚴(yán)重，因此，本文使用ABAQUS有限元分析軟件，建立鎢鉬合金三維銑削模型，針對(duì)不同切削參數(shù)，研究在銑削鎢鉬合金過程中產(chǎn)生的切削力和切削溫度的變化規(guī)律，最后通過正交試驗(yàn)獲得最優(yōu)的銑削參數(shù)組合，以此為實(shí)際銑削加工提供參考。

2 鎢鉬合金有限元建模

2.1 刀具幾何模型

仿真使用硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)4刃立銑刀，規(guī)格見表1。利用SolidWorks三維建模軟件生成銑刀模型，如圖1所示。由于本文研究目的是分析在不同的銑削參數(shù)下切削力和切削溫度的變化規(guī)律，同時(shí)考慮到刀具的主切削刃相對(duì)于工件小得多，因此在ABAQUS有限元分析中假設(shè)刀具是剛體，不考慮刀具變形和磨損，刀具的物理參數(shù)見表2。

圖1 銑刀模型

表1 刀具規(guī)格 （單位：mm）

表2 刀具物理參數(shù)

2.2 鎢鉬合金材料本構(gòu)模型

本文的仿真工件材料為鎢鉬合金，主要物理和力學(xué)性能參數(shù)見表3[4]。

表3 鎢鉬合金材料物理參數(shù)

在金屬切削加工過程中，多數(shù)情況下材料是在高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變速率的情況下發(fā)生彈塑性變形的，所以要建立合理的材料模型，也是模擬成功的關(guān)鍵步驟。本文材料模型采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，可反映出材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)，其形式為

式中，σ為流動(dòng)應(yīng)力（MPa）；ε為塑性應(yīng)變；ε0為參考應(yīng)變率；T為溫度（℃）；Tr為室溫（℃）；Tm為材料熔點(diǎn)（℃）；A、B、C、m、n為材料參數(shù)，數(shù)值見表4[5]。

表4 鎢鉬合金材料Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 接觸和邊界條件

創(chuàng)建一個(gè)接觸屬性，由于仿真過程中將刀具視為剛體，所以需要再創(chuàng)建一個(gè)剛體約束。在初始分析步下創(chuàng)建一個(gè)邊界條件，約束工件側(cè)面的所有自由度，刀具需要約束4個(gè)自由度，并設(shè)置繞Z軸的旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)速度為主軸轉(zhuǎn)速，移動(dòng)速度為進(jìn)給速度。創(chuàng)建預(yù)定義溫度場(chǎng)，定義工件的溫度為298K。

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)有限元模擬結(jié)果影響較大，因此對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先應(yīng)選用合適的網(wǎng)格單元類型，其次要綜合考慮精度和成本，合理地控制網(wǎng)格密度。網(wǎng)格越密則模擬結(jié)果精度越高，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算成本的增加。刀具網(wǎng)格和工件網(wǎng)格最小尺寸均取0.02mm，分別對(duì)刀具和工件進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分。刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體非獨(dú)立結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，類型為C3D10MT，刀具網(wǎng)格為74400個(gè)單元。工件采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，工件網(wǎng)格為26250個(gè)單元，工件網(wǎng)格類型為C3D8RT。劃分網(wǎng)格后的刀具和工件分別如圖2、圖3所示。

圖2 刀具網(wǎng)格

圖3 工件網(wǎng)格

2.5 模型求解

采用ABAQUS/Explicit進(jìn)行模型計(jì)算，分析步的類型選擇動(dòng)態(tài)顯式熱-力耦合分析步。計(jì)算完成后可以通過ABAQUS后處理模塊進(jìn)行結(jié)果的查看和分析。銑削模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 銑削模擬結(jié)果

3 仿真正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要研究在銑削鎢鉬合金過程中切削速度vc、背吃刀量ap和每齒進(jìn)給量fz對(duì)切削力、切削溫度的影響，因此設(shè)置三因素四水平正交表（見表5），即以vc、ap和fz為自變量。令切削寬度ae＝1mm，最小切削力F和最低切削溫度T為響應(yīng)量[6]。根據(jù)正交試驗(yàn)表選擇原則，采用L16正交表，試驗(yàn)安排及結(jié)果見表6。

表5 正交因素與水平

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

針對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果采用極差R法分析，極差是指各水平指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大值與最小值之差。極差分析法簡(jiǎn)稱R法，是分析正交試驗(yàn)結(jié)果最常用的方法，此法包含計(jì)算和判斷兩模塊，可以求出試驗(yàn)因素的主次、優(yōu)水平和因素最優(yōu)組合[7]。R法的原理是通過計(jì)算各列數(shù)值的極差進(jìn)行對(duì)比，極差越大，就證明該因素對(duì)結(jié)果的影響程度越大，則為主因素，再通過直觀分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。以最小切削力F為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果分析見表7，表中K1、K2、K3和K4分別為各影響因素每個(gè)水平下試驗(yàn)結(jié)果的和，k1、k2、k3和k4分別為對(duì)應(yīng)的平均值。

表7 指標(biāo)F試驗(yàn)結(jié)果分析 （單位：N）

從表7可得出結(jié)論：背吃刀量和每齒進(jìn)給量對(duì)切削力影響較大，影響主次為B＞C＞A，故指標(biāo)F優(yōu)選方案為B1C2A2，即切削速度vc為60m/s，每齒進(jìn)給量fz為0.16mm/z，背吃刀量ap為2mm。

以最低切削溫度T為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果分析見表8。

表8 指標(biāo)T試驗(yàn)結(jié)果分析 （單位：K）

從表8可以得出：切削速度和背吃刀量對(duì)切削溫度影響較大，影響主次為A＞C＞B，故優(yōu)選方案為A1B1C4，即切削速度vc為50m/s，每齒進(jìn)給量fz為0.16mm/z，背吃刀量ap為4mm。

4 鎢鉬合金銑削試驗(yàn)及模型驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證鎢鉬合金銑削試驗(yàn)有限元模型的有效性，使用數(shù)控加工中心JOHNFORD-VMC-850進(jìn)行銑削加工，刀具選用硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)4刃立銑刀（見圖5）。

圖5 銑刀

工件板料尺寸為150mm×130mm×45mm，為了將工件固定在測(cè)力儀上，在銑削前先在工件上加工安裝孔，采用φ8.6mm鎢鋼鉆頭打孔，再通過圓柱頭內(nèi)六角頭螺栓M8進(jìn)行固定。試驗(yàn)使用KISTLER 9257b三向測(cè)力儀進(jìn)行切削力測(cè)量，利用壓板將測(cè)力儀固定在機(jī)床工作臺(tái)上，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量切削溫度。測(cè)力儀與工件的固定如圖6所示，測(cè)力測(cè)溫過程如圖7所示。

圖6 測(cè)力儀與工件的固定

圖7 測(cè)力測(cè)溫過程

4.2 模型驗(yàn)證

選擇3組切削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，切削力、切削溫度的模擬值、實(shí)測(cè)值以及誤差見表9、表10。從表9、表10中可以看出，模擬結(jié)果的最大誤差是15.6%，在20%之內(nèi)，因此試驗(yàn)結(jié)果滿足工程應(yīng)用要求。

表9 切削力的模擬值、實(shí)測(cè)值以及誤差

表10 切削溫度的模擬值、實(shí)測(cè)值以及誤差

5 結(jié)束語

本文使用ABAQUS有限元分析軟件，建立鎢鉬合金三維銑削模型，針對(duì)不同切削參數(shù)，研究在銑削鎢鉬合金過程中產(chǎn)生的切削力和切削溫度的變化規(guī)律，通過正交試驗(yàn)獲得最優(yōu)的銑削參數(shù)組合，為實(shí)際銑削加工提供參考。得到的結(jié)論如下。

1）背吃刀量ap和每齒進(jìn)給量fz對(duì)切削力F影響較大，影響主次為B＞C＞A，故切削力F優(yōu)選方案為B1C2A2，即vc＝60m/s，fz＝0.16mm/z，ap＝2mm。

2）切削速度vc和背吃刀量ap對(duì)切削溫度T影響較大，影響主次為A＞C＞B，故切削溫度T優(yōu)選方案為A1B1C4，即vc＝50m/s，fz＝0.16mm/z，ap＝4mm。

3）綜合考慮實(shí)際加工中切削效率及效益問題，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，即vc＝60m/s，fz＝0.16mm/z，ap＝3mm。