超聲振動條件下微織構(gòu)刀具車削Inconel718 合金

郭冬云,王大中

（上海工程技術(shù)大學機械與汽車工程學院,上海 201600）

航空發(fā)動中的渦輪盤、機殼、壓氣機盤、葉片和軸承套圈等高溫部件通常由鎳基高溫合金制造,航空發(fā)動機中Inconel 718 合金占發(fā)動機總重量的50%以上[1].Inconel 718 合金由于熱導率低、強度高,采用傳統(tǒng)方法加工Inconel 718 合金,不僅生產(chǎn)效率低,而且刀具磨損嚴重[2,3].表面微織構(gòu)為刀具- 切屑表面創(chuàng)造了良好的潤滑條件,減少了刀具磨損且產(chǎn)生的切削力均小于普通刀具[4].為了提高Ti-6Al-4V 切削過程中的WC/Co 刀具切削性能,Zhang 等[5]在刀具表面增加了表面織構(gòu),設(shè)計三種表面織構(gòu)形狀,并對切削力、刀具磨損等進行了相關(guān)分析,認為刀具表面織構(gòu)降低了前刀面和側(cè)刀面的磨損,同時減少了刀具的磨損情況,提高了Ti-6Al-4V 合金的加工質(zhì)量以及效率.1994 年日本學者在國際會議上提出超聲橢圓振動切削（Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting,UEVC）[6].趙海東[7]認為橢圓超聲振動條件下車削鎳基高溫合金材料可以降低切削過程中的切削力.Xu 等[8]使用超聲振動加工Inconel 718 合金,結(jié)果表明與傳統(tǒng)加工對比,超聲振動處理Inconel 718 合金材料可以獲得更好的加工效果.

目前,不同形狀微織構(gòu)刀具在UEVC 條件下車削難加工金屬的研究較少.因此,本文設(shè)計三種不同形狀的微織構(gòu)刀具,在UEVC 條件下,針對鎳基高溫合金Inconel 718 車削過程中應力、切屑形態(tài)以及切削力的變化規(guī)律進行深入探究.此研究為微織構(gòu)刀具車削難加工材料的加工提供新的思路和依據(jù).

1 有限元模型

1.1 微織構(gòu)刀具模型

常見微織構(gòu)一般加工在刀具前表面,有利于減少刀具- 切屑直接接觸面積,從而降低刀具磨損和摩擦熱[9].因此,本文在硬質(zhì)合金刀具的前刀面加工表面織構(gòu),一共設(shè)計了三種形狀的微織構(gòu),分別是三角形（T）、圓形（C）以及方形（S）凹坑微織構(gòu)刀具.三種微織構(gòu)刀具的前角為10°,后角為10°,圓角半徑為5 μm,如圖1 所示.表面微織構(gòu)寬度、深度等尺寸參數(shù)如表1 所示.

深度/μm 50 50 50微織構(gòu)類型圓形凹坑微織構(gòu)方形凹坑微織構(gòu)三角形凹坑微織構(gòu)寬度/μm 100 100 100間距/μm 80 80 80

1.2 超聲橢圓振動切削機理

超聲振動橢圓軌跡由兩個方向上（切削速度方向與切削深度方向）存在一定相位差的高頻振動疊加形成[10],橢圓運動軌跡通常由以下兩部分組成[11],如式（1）所示

式（1）中：X(t)和Y(t)分別表示刀具的刀尖在橢圓軌跡上沿切削速度方向和切削深度方向上移動的坐標；A 和B 分別為兩個方向上的振幅（μm）；f、t 以及φ 分別表示為振動的頻率（Hz）、時間（S）和相位差（°）.其中相位差φ 的數(shù)值會影響橢圓軌跡的形狀,在本研究中沿切削速度方向與切削深度方向的振動相位差為 /2.

考慮UEVC 的運動特性,刀具相對于工件的運動軌跡方程如式（2）所示

式（2）中：v 表示切削速度.對公式（2）求導,得到刀具相對于工件的速度方程,如式（3）所示

在有限元軟件中設(shè)定兩個周期型幅值曲線來實現(xiàn)刀具橢圓切削路徑.結(jié)合公式（3）速度方程與傅里葉級數(shù)的關(guān)系,在切削速度方向（X 向）與切削深度方向（Y 向）上設(shè)定初始幅值、圓頻率、起始時間、余弦項系數(shù)以及正弦項系數(shù).傅里葉級數(shù)由下式表示

式（4）中：N 為傅立葉級數(shù)項的個數(shù)；A0為初始振幅；ω 為圓頻率；t0為起始時間；An為余弦項系數(shù)；Bn為正弦項系數(shù).

如圖2 所示, 主要通過刀具在T2周期內(nèi)的運動分析UEVC 的加工過程.ap為實際切削深度,B 為刀具在切削深度方向（Y 向）上的振幅.在T2周期內(nèi),刀具運動軌跡為a→b→c→d→e→（a）.此過程中,刀具由a→b→c→d 的運動為有效切削階段,刀具參與實際切削來去除材料；刀具由d→e→（a）的運動為分離階段,刀具與工件分離,這是一個空的切削階段,該階段有利于刀具的散熱,能減少切削中刀具與加工表面之間的摩擦,減少切削熱量,提高加工質(zhì)量.

相較CC 加工,UEVC 加工具有分離式切削特性、變速切削特性、變切削角度特性以及摩擦力反轉(zhuǎn)特性.

（1）分離式切削特性：在超聲振動激勵的作用下,切屑與刀具前刀面存在間歇性的分離,如圖2 中d→e→（a）階段,工件的已加工表面與后刀面發(fā)生分離現(xiàn)象,有效減少了刀具與切屑、工件的接觸時間.

（2）變速切削特性：在CC 加工過程中,切削速度是恒定不變的.在UEVC 加工過程中,刀具相對于工件的瞬時切削速度在切削速度方向以及切削深度方向上隨著時間呈現(xiàn)周期性變化,有利于切屑的排出,從而能夠提高加工質(zhì)量.

（3）變切削角度特性：在UEVC 加工過程中,因為刀具的運動軌跡為橢圓形,所以實際加工過程中刀具的切削前角和后角是發(fā)生變化的.

（4）摩擦力反轉(zhuǎn)特性：在CC 加工中,切削速度方向一直保持不變,切屑沿著刀具的前刀面向上排出,該過程切屑受到的摩擦力方向是沿刀具- 切屑界面向下,這會阻礙切屑的排出.對于UEVC 加工過程,在初始階段切屑的排出速度是高于刀具在切削深度方向上的切削速度,這與CC 加工相似.然而,在UEVC 加工的方式下,刀具沿橢圓軌跡進行運動,在切削深度方向上的速度逐步增大,高于切屑的排出速度時,刀具與切屑間的摩擦力方向出現(xiàn)180°反轉(zhuǎn),由沿刀具- 切屑界面向下變?yōu)橄蛏?對于切屑的排出,可視為是助力.

1.3 有限元切削模型

本研究采用Abaqus 有限元軟件進行車削仿真實驗,工件材料采用Inconel 718 合金,刀具材料為硬質(zhì)合金,有限元切削模型采用CPE4RT 單元和自由網(wǎng)格技術(shù),如圖3 所示.鑒于刀具的不規(guī)則形狀,對前刀面微織構(gòu)區(qū)域的網(wǎng)格進行局部網(wǎng)格細化.工件模型長度為10 mm,高度為5 mm,對工件上部分區(qū)域進行細劃網(wǎng)格,網(wǎng)格形狀主要為四邊形,用來提高模擬精度.切削仿真中工件設(shè)置為塑性體,刀具設(shè)置為剛體,有限元模型底部和兩側(cè)自由度均受到約束.

在CC 加工Inconel 718 時,切削速度及深度分別設(shè)定為60 m/min 和0.5 mm；在UEVC 加工Incnel 718時,其切削速度保持不變,在切削速度方向（X 向）和切削深度方向（Y 向）施加振幅,X 向振幅為12 μm,Y向振幅為8 μm,刀具初始切削深度設(shè)定為492 μm,超聲振動頻率為40 kHz.刀具在該條件下的運動軌跡如圖4 所示.

在設(shè)置工件的材料模型時,必定要全面考慮在切削過程中工件材料的彈塑性變形[12].本研究選取廣泛使用的Johnson Cook 本構(gòu)模型[13]來描述切削Inconel 718 過程中的變形行為.該模型普遍適用于實際切削過程中溫度高、變形大、高應變率的條件下金屬材料的塑性變形以及失效過程,即

式（5）中：σ 是材料的流動應力（MPa）；A 是屈服應力強度（MPa）；B 是應力強化常數(shù)；是等效塑性應變；n 是應變硬化指數(shù)；C 是應變速率強化參數(shù)是等效塑性應變；是應變速率；取靜態(tài)應變速率T 是樣品的環(huán)境溫度；Tr是室溫；Tm是材料的熔點；m 是在室溫下應變速率的靈敏度.A、B、C、m、n 為常數(shù),數(shù)值如表2 所示[14].

材料Inconel 718 A/MPa 450 B/MPa 1 700 C m n Tm/℃1 320 Tr/℃20 0.65 0.017 1.3

在有限元仿真過程中,當工件網(wǎng)格發(fā)生等效塑性應變時,網(wǎng)格會失效刪除,因此使用Johnson Cook 損傷失效準則來描述有限元仿真切削中材料被刀具切除的過程.Johnson Cook 失效準則為

1.4 刀具-切屑界面摩擦建模

如圖5 所示,在金屬切削過程中,刀具- 切屑接觸界面通常存在黏結(jié)摩擦和滑動摩擦兩個分區(qū).切削中刀具- 切屑界面的應力和溫度發(fā)生急劇變化,刀尖附近（OA 區(qū)域）,應力較大和溫度較高使刀具與切屑處于黏結(jié)摩擦狀態(tài),等效剪應力為材料的極限剪應力,σlimiting遠離刀尖（AB 區(qū)域）,應力較小、溫度較低,使刀具與切屑處于滑動摩擦狀態(tài),適用于經(jīng)典的庫倫摩擦定律,黏結(jié)- 滑動摩擦模型如式7 所示.

式（7）中：τ為前刀面與切屑之間的等效剪應力；σcontact為接觸面的法向應力；μ 為材料與刀具之間的摩擦系數(shù).

2 仿真結(jié)果分析

2.1 切削過程中應力分布

如圖6 所示,在切削速度為60 m/min,切削深度為0.5 mm 時,分別輸出三種微織構(gòu)刀具切入Inconel 718 材料的應力云圖結(jié)果,由圖6 可知,最大等效應力主要集中在剪切變形區(qū),隨著刀具的運動,材料發(fā)生彈性形變,導致應力值增加,當應力值達到Inconel 718 材料的屈服極限時,材料發(fā)生塑性破壞,在刀具的擠壓作用下產(chǎn)生撕裂.此外,切削過程中位于刀具前刀面上的表面織構(gòu)對切屑產(chǎn)生了切削作用,少量材料進入微織構(gòu)的內(nèi)部,微織構(gòu)與切屑接觸的區(qū)域也出現(xiàn)了應力集中.三種微織構(gòu)刀具切入到Inconel 718 材料的同一位置,從圖6-c 可以觀察到,方形微織構(gòu)刀具切削過程中導致的米塞斯應力最大,其最大值為2 078 MPa.

在上述分析中,米塞斯應力作為等效應力,不能確定拉- 壓應力的具體情況.微織構(gòu)刀具切削Inconel 718 過程中存在復雜的應力- 應變場,為了分析加工過程中材料拉伸和壓縮變形細節(jié),選取主應力中絕對值最大的應力（S,Max.Principal）來研究材料變形以及受力情況,如圖7 所示.在超聲橢圓振動切削的條件下,分別選取三種微織構(gòu)刀具切削Inconel 718 材料不同時刻的應力場云圖.

在刀具的擠壓作用下,剪切區(qū)以及切屑- 前刀面摩擦接觸區(qū)域存在交錯分布的拉- 壓應力場,刀具擠壓作用使得靠近刀尖區(qū)域的基體材料承受壓縮應力, 切屑向未變形表面卷曲的過程中可以發(fā)現(xiàn)材料產(chǎn)生強烈的壓縮變形,如圖7-a 和7-b 所示.切屑斷裂部位兩側(cè)受力不同,導致了不同的應力分布,如圖7-b Ⅰ處所示,靠近前刀面的工件材料受到前刀面的擠壓摩擦,主要為壓縮應力,而右側(cè)的材料受到切屑排出的拉伸作用,主要為拉應力.在超聲橢圓振動切削的條件下,切削過程中刀具與切屑間歇性的分離與接觸,拉- 壓應力交替分布會導致材料的斷裂,促進了切屑的斷裂脫落.從圖7-c Ⅱ處可以觀察到,切屑的彎折使貼近前刀面的工件材料承受了較大的拉伸應力,外側(cè)的工件材料受擠壓承受較大的壓縮應力導致材料失效開裂.

2.2 切屑形態(tài)分析

三種微織構(gòu)刀具在兩種加工方式下的切屑形態(tài)如圖8 所示.在CC 加工過程中,切屑呈帶狀且難以斷裂.圓形微織構(gòu)刀具在切削過程中產(chǎn)生的切屑卷曲半徑RC最小,切屑- 前刀面接觸區(qū)的長度LC最短,方形微織構(gòu)刀具在切削過程中產(chǎn)生的切屑卷曲半徑RS最大.在金屬的切削過程中,切屑卷曲半徑越小,表明切屑越容易彎卷,使得切屑容易分離.同時刀具- 切屑接觸區(qū)的長度越小,能夠減少對刀具的摩擦,在一定程度上能夠降低切削力.在UEVC 加工過程中,三種微織構(gòu)刀具均能夠使切屑斷裂,這主要與超聲橢圓振動加工特性有關(guān),其分離式切削特性使刀具前刀面與切屑之間周期性的接觸碰撞,頻繁地改變了切屑內(nèi)部的拉- 壓應力應變場,加劇了材料的塑性變形.此外,刀具- 切屑界面摩擦力方向反轉(zhuǎn)特性能促進切屑的排出,在這兩者的作用下,促進了切屑的斷裂,有助于切屑及時排出.

2.3 切削力分析

如圖9 所示,在CC 加工中,三種微織構(gòu)刀具切入工件材料后,切削力迅速變大.隨著切削的進行,由于工件材料在刀具的剪切作用下不斷發(fā)生彈性變形以及塑性破壞,導致形成的切屑與前刀面接觸摩擦狀態(tài)趨于穩(wěn)定,使切削力在一個穩(wěn)定值附近不斷波動.如圖10-11 所示,UEVC 加工中主切削力與推力呈現(xiàn)周期性的上下波動,在Y 方向的推力存在負值,證實了摩擦力方向發(fā)生了180°反轉(zhuǎn).對比兩種加工方式,在UEVC 加工過程中,三種微織構(gòu)刀具切削過程中的平均主切削力和推力均小于CC 加工過程.主要原因有兩個方面：一方面,UEVC 加工過程中分離式切削特性和時變切削厚度能有效降低單位時間內(nèi)的平均切削力；另一方面,UEVC 加工中存在變速切削的特性,刀具在Y 方向的運動速度由慢變快,當?shù)毒咚俣雀哂谂判嫉呐懦鏊俣葧r,刀具- 切屑界面的摩擦力方向發(fā)生180°反轉(zhuǎn),與切屑排出方向相同,促進了切屑的分離,減小了切削阻力,這對降低平均切削力有一定的效果.

如圖12-13 所示,在CC 加工Inconel 718 材料的過程中,三角形微織構(gòu)刀具的平均主切削力為1 023 N,平均推力為160 N；圓形微織構(gòu)刀具的平均主切削力為946 N,平均推力為142 N；方形微織構(gòu)刀具的平均主切削力為1 055 N,平均推力為205 N.

在UEVC 加工過程中,使用三角形微織構(gòu)刀具的平均主切削力為585 N,平均推力為85 N,相比CC加工,其平均主切削力以及推力分別降低了42%和46.8%；圓形微織構(gòu)刀具的平均主切削力為551 N,平均推力為75 N,相比CC 加工,其平均主切削力以及推力分別降低了41.8%和47.2%；方形微織構(gòu)刀具的平均主切削力為590 N,平均推力為89 N,相比CC 加工,其平均主切削力以及推力分別降低了44.1%和56.6%.綜上分析,圓形微織構(gòu)刀具在兩種加工方式下的平均主切削力以及推力最低,施加超聲橢圓振動后,能大幅降低切削Inconel 718 過程中的切削力.

3 結(jié)論

在兩種加工方式下（CC 與UEVC）,通過使用不同形狀的微織構(gòu)刀具對鎳基高溫合金Inconel 718 進行有限元切削仿真,研究切削過程中的應力分布、切屑形態(tài)以及切削力變化規(guī)律,研究結(jié)論如下：

（1）在CC 加工過程中,切屑呈帶狀且難以斷裂.在三種形狀的微織構(gòu)刀具中,圓形微織構(gòu)刀具切削過程中產(chǎn)生的切屑卷曲半徑最小,切屑- 前刀面接觸區(qū)的長度最短.切屑卷曲半徑越小以及刀具- 切屑接觸區(qū)的長度越短,表明切屑易彎卷且能減少對刀具的摩擦.

（2）在UEVC 加工條件下,三種微織構(gòu)刀具均能促進切屑斷裂,這主要與超聲橢圓振動加工特性有關(guān),其分離式切削特性使得刀具前刀面與切屑之間周期性地接觸碰撞,頻繁地改變了切屑內(nèi)部的拉- 壓應力應變場,加劇了材料的塑性變形,利于斷屑.

（3）UEVC 加工中主切削力與推力呈現(xiàn)周期性的上下波動,在Y 方向的推力存在負值,證實了摩擦力方向發(fā)生了180°反轉(zhuǎn).對比兩種加工方式,在UEVC 加工過程中,三種微織構(gòu)刀具切削Inconel 718 過程中的平均主切削力和推力均大幅度降低, 圓形微織構(gòu)刀具在兩種加工方式下的平均主切削力以及推力最低.