馮吉路，姜增輝

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

0 引言

金屬材料在高速切削時一般會產(chǎn)生鋸齒形切屑。在低速度切削條件下，鋸齒形切屑常見于導(dǎo)熱系數(shù)較低的難加工材料，如鈦合金［1］、鎳基合金、高強(qiáng)度鋼［2］等。在高速切削加工中，鈦合金Ti-6Al-4V必然會發(fā)生絕熱剪切，并產(chǎn)生鋸齒形切屑進(jìn)而影響切削加工，主要體現(xiàn)在鋸齒形切屑導(dǎo)致切削力導(dǎo)頻周期波動［3］，加劇刀具的磨損［4］以及被加工表面質(zhì)量的降低［5］。因此，研究鋸齒形切屑形成過程中切削力以及切屑形態(tài)隨切削參數(shù)和刀具前角的變化規(guī)律具有十分重要的意義。

目前，對于高速切削鋸齒形切屑形成的研究主要集中于理論計算和有限元模擬兩個方面。本文基于Abaqus/Explicit 建立了鈦合金正交切削有限元模型，并運(yùn)用建立的有限元模型對鋸齒形切屑形成過程中切削力和切屑形態(tài)進(jìn)行仿真分析。

1 Ti-6Al-4V 二維切削有限元建模

1.1 幾何模型

采用YG8 刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V 的二維正交切削模型如圖1 所示，其中刀具前角為8°，后角為10°，刀具被定義為剛體，限制其y 方向的自由度，在參考點(diǎn)處施加向左方向的速度。工件尺寸為5mm ×1.2mm，工件為穩(wěn)定性較好的簡化積分四節(jié)點(diǎn)溫度位移耦合減縮單元，工件側(cè)邊和底邊被約束，且工件和刀具的邊界溫度為室溫。

1.2 材料本構(gòu)模型

切削加工中塑性變形區(qū)的流動應(yīng)力的大小與應(yīng)變、應(yīng)變率、切削區(qū)的溫度以及材料的微觀特性有關(guān)。在對比諸多熱黏塑本構(gòu)方程后，由于Johnson-Cook 模型能夠較好地反映加工過程中的熱軟化效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)以及應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，本研究選用該模型作為材料的本構(gòu)關(guān)系模型，具體可表示為:

式中:A，B，n，C，m 是由材料自身決定的常數(shù);Tm為材料的熔點(diǎn);Tr為室溫;ε0為參考應(yīng)變速率。等號右邊第一部分表示應(yīng)變ε 對流動應(yīng)力σ 的影響，第二部分表示應(yīng)變速率ε0對流動應(yīng)力σ 的影響，而最后一部分表示溫度T 對流動應(yīng)力σ 的影響。仿真中各參數(shù)如表1 所示。

表1 JOHNSON-COOK 模型中各參數(shù)［6］

圖1 正交切削有限元模型

1.3 材料斷裂準(zhǔn)則

高速切削Ti-6Al-4V 時鋸齒形切屑形成采用斷裂準(zhǔn)則是非常有必要的，斷裂準(zhǔn)則完全取決于材料特性。Johnson-Cook 提出了的材料斷裂準(zhǔn)則考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度以及應(yīng)力。其優(yōu)點(diǎn)是該準(zhǔn)則可以在拉伸和扭轉(zhuǎn)實驗中確定，每個單元的斷裂值可以由下公式確定。

式中:Δˉεp為積分步長中等效應(yīng)變的增量，ˉεpf為當(dāng)前條件下失效應(yīng)變。當(dāng)D = 1 時，材料發(fā)生失效并且刪除相關(guān)單元。失效應(yīng)變ˉεpf由下式可得:

失效應(yīng)變ˉεpf取決于變量σ*、ˉε·0、T。無綱量應(yīng)力比σ*= σm/ˉσ，σm為三個主應(yīng)力的平均值，ˉσ 為等效應(yīng)力。本文采用文獻(xiàn)［1］中Ti-6Al-4V 的損傷參數(shù)D1、D2、D3、D4、D5 分別為- 0.09、0.25、- 0.5、0.0014、3.87。

2 有限元模擬仿真結(jié)果

2.1 主要參數(shù)對切削力的影響

切削力是反映高速切削加工過程最為重要的物理指標(biāo)，是影響刀具壽命、刀具磨損和加工表面質(zhì)量的主要因素。正交切削仿真中，水平切削力是計算刀具強(qiáng)度，設(shè)計機(jī)床零件，確定機(jī)床功率的依據(jù)，垂直切削力直接影響工件的加工精度和切削過程中產(chǎn)生的振動。因此，研究正交切削過程中的水平切削力和垂直切削力具有重要的意義。

仿真結(jié)果如圖2 所示，當(dāng)切削速度達(dá)到某一臨界值時，切削速度對水平切削力和垂直切削力的影響并不大，這與Salomon［7］提出的高速切削有關(guān)切削力的假說是一致的。由圖3 和圖4 所示，切削深度增加時，水平切削力在增大而垂直切削力變化不大，增加刀具前角時，水平切削力和垂直切削力均減小。切削力的波動，將會導(dǎo)致工藝系統(tǒng)振動，使以加工表面形成振紋，表面粗糙度值增大，并且波動會對刀具產(chǎn)生沖擊，加劇刀具的磨損。由圖5、圖6 和圖7 所示，切削力是一個“增大- 減小- 增大- 減小”的周期過程，這是因為在鋸齒狀切屑形成過程中，當(dāng)?shù)谝蛔冃螀^(qū)開始產(chǎn)生集中滑移變形時，其承載能力下降導(dǎo)致幾何失穩(wěn)，切削力絕對值逐漸減小，隨后由于刀具繼續(xù)前進(jìn)對切削層材料產(chǎn)生擠壓，切削力絕對值又逐漸增大。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)毒咔敖侵饾u變大時，切削力反映的振動頻率稍有變化而振動幅度在明顯減小，切削力趨于平穩(wěn)。

圖2 切削速度對平均切削力的影響

圖3 切削深度對平均切削力的影響

綜上所述，在加工鈦合金Ti-6Al-4V 時，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃蟮毒咔敖峭瑫r減小切削深度，這樣既可以減小機(jī)床的功率消耗，又可以提高加工工件的表面質(zhì)量。

圖4 刀具前角對平均切削力的影響

圖5 鋸齒形切屑形成時的切削力波動

圖6 鋸齒形切屑形成時的切削力波動

圖7 鋸齒形切屑形成時的切削力波動

2.2 切屑幾何形態(tài)

目前，帶狀切屑變形程度主要采用變形系數(shù)表示，由于鋸齒形切屑的形成機(jī)理和帶狀切屑有著較大的差異，故不能用變形系數(shù)評估鋸齒形切屑變形程度。通常我們可以用鋸齒化程度表示切屑變形程度，鋸齒化程度值越大，鋸齒化越嚴(yán)重，其表達(dá)式:

如圖8 所示，H 為鋸齒齒頂高度，h 為鋸齒齒根高度。此外，評估切屑變形程度的另一個重要參數(shù)是齒距w。仿真結(jié)果如圖9、圖10 和圖11 所示，平均齒距和鋸齒化程度隨切削速度的增加而增大。當(dāng)切削深度αp≥0.2mm 時，平均齒距隨切削深度增加而增大，當(dāng)切削深度αp≤0.2mm 時，平均齒距隨切削深度的增大而減小，鋸齒化程度隨切削深度的增加而增加。

圖8 鋸齒形切屑形成時的等效應(yīng)變

圖9 切削速度對鋸齒化程度和齒距的影響

圖10 切削深度對鋸齒化程度和齒距的影響

圖11 刀具前角對鋸齒化程度和齒距的影響

平均齒距和鋸齒化程度隨刀具前角的增加而減小。隨著鋸齒化程度G 的增大，能夠反映出切屑最終將會形成單元切屑。仿真結(jié)果同M. A. Davies 研究切削淬硬鋼時切削速度、刀具前角等參數(shù)對鋸齒形切屑平均齒距和單位切削力的影響規(guī)律的發(fā)現(xiàn)是一致的。切屑的幾何形態(tài)的變化，在一定程度上能夠反映切屑形成時應(yīng)力應(yīng)變的變化情況隨切削條件改變時的變化趨勢。

3 結(jié)束語

本文采用有限元分析方法，并運(yùn)用ABAQUS 軟件對高速切削Ti-6Al-4V 鋸齒形切屑形成過程中切削力和切屑形態(tài)進(jìn)行仿真分析，得出結(jié)論如下:

(1)適當(dāng)增大刀具前角，同時減小切削深度，這樣既可以減小機(jī)床的功率消耗，又可以提高加工工件的表面質(zhì)量。

(2)切削速度為60m/min－180m/min 時，平均切削力趨于平穩(wěn)，平均切削力隨切削深度的增加而增大，隨刀具前角的增加而減小。

(3)切屑鋸齒化程度和平均齒距隨切削速度和切削深度的增加而增大，隨刀具前角的增加而減小。

［1］Molinari A，Musquar C，et al. Adiabatic shear banding in high speed machining of Ti-6Al-4V:Experiments and modeling［J］. International Journal of Plasticity，2002，18(4):443－459.

［2］Barry J，Byrne G.The mechanisms of chip formation machining hardened steels［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering ASME，2002，124(3):528－535.

［3］劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬熠，艾興. 高速銑削中切削力的研究［J］. 中國機(jī)械工程，2003，14(9):734－737.

［4］劉戰(zhàn)強(qiáng)，艾興. 高速切削刀具磨損表面形態(tài)研究［J］. 摩擦學(xué)學(xué)報，2002，22(6):468－471.

［5］趙文祥，龍震海，王西彬. 高速切削超高強(qiáng)度鋼時次表面層的組織特性研究［J］. 航空材料學(xué)報，2005，25(4):20－25.

［6］朱文明，何寧，李亮. 高速切削Ti-6Al-4V 切削形成仿真研究［D］. 南京:南京航空航天學(xué)，2007.

［7］Salomon C J. Process for the machining of metals or similarly acting materials when being worked by cutting tools:Germany［P］，1931(4):523－594.