鄭術(shù)偉，夏　萍，雷經(jīng)發(fā)

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036；2.安徽建筑大學機械與電氣學院，安徽 合肥 230601)

?

基于ABAQUS的鈦合金穩(wěn)態(tài)切削模擬

鄭術(shù)偉1，夏萍1，雷經(jīng)發(fā)2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036；2.安徽建筑大學機械與電氣學院，安徽 合肥 230601)

摘要：本文基于ABAQUS軟件的Johnson-Cook材料模型以及ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)對鈦合金穩(wěn)態(tài)切削加工過程進行了有限元模擬，并研究了鈦合金的切屑成型過程、切削層的塑形應(yīng)變以及工件溫度的分布，從切屑形狀上看，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。在此基礎(chǔ)上分析了不同切削前角、切削深度和切削速度等參數(shù)對切削力的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)適當增大切削前角或減小切削深度有利于切削的進行，此外切削速度的變化在一定范圍內(nèi)對切削力影響較小。

關(guān)鍵詞：鈦合金；切削加工；有限元模擬；切削力

0引言

在鈦合金的切削過程中，由于鈦合金具有較好的比強度、比剛度和高溫性能，導致刀具所受的反作用力即切削力較大，因而可能會產(chǎn)生振動、切削溫度過高、刀具易磨損等問題[1]。故對鈦合金的切削過程以及影響切削過程的相關(guān)因素加以研究具有十分重要的意義。

目前關(guān)于鈦合金的切削過程研究文獻較多，李登萬等在鈦合金加工切削力試驗研究中，分別在常溫干式切削和低溫冷風降溫切削條件下,對切削力進行了試驗研究,得出鈦合金在低溫冷風降溫切削條件下主切削力雖然較大,但變化范圍較小,有利于提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性,更加適用于精密加工[2]。楊勇等對鈦合金鋸齒狀切屑形成過程進行了有限元模擬，并提出了采用Johnson-Cook模型以及ALE技術(shù)研究切屑成型過程和切削力的大小[3]；祝小軍研究并分析了不同的切削速度、進給量和刀具角度對零件加工表面質(zhì)量、刀具使用壽命的影響[4]。但在眾多文獻中，尚未見到同時考慮在不同切削前角、不同切削深度及不同切削速度下分析切削力的變化情況，故本文使用Abaqus有限元分析軟件，建立鈦合金切削過程的有限元模型，通過選擇合適的Johnson-Cook模型以及ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)，得到切屑的成型過程、塑形應(yīng)變以及溫度變化，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，以驗證其有效性。在此基礎(chǔ)上分析了不同切削前角、切削深度、切削速度對鈦合金切削過程中切削力的影響。

1有限元模型的建立

1.1材料參數(shù)

本文研究的是Ti6Al4鈦合金，泊松比取常數(shù)0.3，其彈性模量、傳導率及比熱等參數(shù)均隨溫度的變化而變化，具體如表1所示。

表1　彈性模量、傳導率、比熱隨溫度變化值

1.2材料本構(gòu)模型

在實際金屬切削的過程中，工件材料會在高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變率的情況下下發(fā)生彈塑性變形。為了考慮各種因素對材料特性的影響,通常會將工件材料的流動應(yīng)力看成是應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的方程[5～6]。建立合理的材料本構(gòu)模型是分析的關(guān)鍵，考慮到Johson-Cook本構(gòu)模型既可反映加工過程中的溫度軟化效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)，也可以反映應(yīng)變率強化效應(yīng)[7]，本文采用該模型，具體表示如下：

(1)

1.3有限元模型

本文選取鈦合金矩形試件尺寸是8.3×3.3mm，切削區(qū)域?qū)挾?.31mm，切削深度0.5mm，刀具前角為0°，刀具設(shè)為解析剛體。建立切削有限元模型如圖1所示：

圖1　切削模型

采用分區(qū)操作將模型劃分為四塊，其右上部分為切削區(qū)域，采用邊布種方式對該區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，得到6400個單元(80×80)，其單元類型為CPE4RT?？紤]到ALE網(wǎng)格劃分方法不改變整體的拓撲結(jié)構(gòu)，并可以避免切屑成型過程中出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變現(xiàn)象，且計算速度較快，故本文對切削區(qū)域采用ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)。為防止工件在切削過程中發(fā)生移動，所以建立一個將底邊的X軸方向約束同時將工件左側(cè)的Y軸方向約束的邊界條件。在刀具的參考點上施加一個水平向左的速度為50mm/min的載荷。

2實驗及仿真結(jié)果的分析

2.1切屑成型過程以及塑形應(yīng)變和溫度分布情況

隨著刀具不斷向前運動，刀具和工件接觸后切屑逐漸成型，由圖2可以看到不同分析步下切屑的形狀變化情況。

圖3　切屑對比圖

圖3中a圖和b圖可以看到的試驗所得到的切屑和模擬得到的切屑形狀基本一致，所以切削模擬實驗得到的結(jié)果是可信的。

圖4　塑形應(yīng)變和溫度分布

隨著切削的進行，工件的塑性應(yīng)變和溫度也隨之發(fā)生變化[8～9]。切削過程中塑性應(yīng)變是逐漸累積的過程，其分布情況如如圖4a所示，從圖中可以看出其最大值發(fā)生在136結(jié)點處，而該位置正好位于刀具和切削接觸區(qū)域，切削過程的溫度變化如圖4b所示，由圖中可以看出最大值同樣發(fā)生在136結(jié)點處。由圖4a的塑性應(yīng)變的最大值和圖4b溫度的最高值的位置可以得出倆者都發(fā)生在切削過程中刀具和工件接觸的區(qū)域。

2.2不同參數(shù)對切削力的影響分析

在研究不同參數(shù)對切削力的影響時，設(shè)定刀具后角為15°，刀具圓角半徑0.002mm，工件溫度為室溫298K，刀具和工件的摩擦系數(shù)為定值0.1。本文僅研究了不同切削前角、切削深度、切削速度等參數(shù)對切削力的影響變化曲線，分別如圖5～7所示[10～11]。

圖5　不同切削前角對切削力的影響(切削深度0.5mm，切削速度50mm/min)

由圖5可以看出，切削前角在0°～10°范圍內(nèi)，隨著切削前角的增大，切削力明顯減小。故在一定范圍內(nèi)適當增大切削前角，刀具受到的反作用力即切削力明顯變小，有利于切削的進行。

圖6　不同切削深度對切削力的影響(切削前角10°，切削速度50mm/min)

由圖6可以看出，切削深度在0.35～0.6mm范圍內(nèi)，隨著切削深度的減小，切削力明顯減小，因此在一定范圍內(nèi)適當減小切削深度，能夠減少刀具所受到的阻力即切削力，有利于切削的進行且能有效地保護刀具。

圖7　不同速度對切削力的影響(切削前角10°，切削深度0.5mm)

考慮到改變切削速度后所需要的切削時間不同，但刀具行程一致，故為便于分析，本文給出了在整個刀具行程中不同切削速度下切削力的變化曲線。圖7顯示的是在50、100、150mm/min三種不同切削速度下切削力的變化情況，由圖中曲線可以看出，隨著切削速度的增加，切削力曲線圖的波峰和波谷變化區(qū)間明顯加劇，但三條曲線在整個切削過程的變化趨勢近乎一致，故可認為在一定的切削速度范圍內(nèi)切削速度的變化對切削過程中的切削力的影響較小。

3結(jié)論

(1)應(yīng)用Abaqus有限元軟件建立了鈦合金切削過程的有限元模型，選擇Johnson-Cook材料模型和ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)得到鈦合金的切屑成型過程，以及切削過程中塑性應(yīng)變和溫度變化情況。通過對比試驗切屑和有限元模擬切屑，發(fā)現(xiàn)兩者形狀基本吻合，驗證了模擬分析方法的有效性。

(2)分析了不同參數(shù)下切削過程的切削力變化情況。得到在0°～10°范圍內(nèi)適當增大切削前角可以減小切削力；在0.35～0.6mm之間適當減小切削深度亦可減小切削力；切削速度的變化對切削力有一定的影響，但在一定的切削速度范圍內(nèi)影響較小。上述分析結(jié)果可為實際加工中鈦金屬切削刀具參數(shù)的設(shè)計及切削加工工藝的優(yōu)化提供理論參考。

參考文獻

1伍文革.金屬切削原理及刀具[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009:1-7.

2李登萬,陳洪濤,甘建水,等.鈦合金加工切削力試驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版).2010,35(5):733-737.

3楊勇,方強,柯映林,等.基于有限元模擬的鈦合金鋸齒狀切屑形成機理[J].浙江大學學報(工學版).2008,42(6):1010-1014.

4祝小軍.鈦合金的高速切削加工研究[J].煤礦機械.2011,32(4):128-130.

5劉東,陳五一.鈦合金TC4切削過程流動應(yīng)力模型研究[J].塑性工程學報.2008,15(1):167-171.

6Johnson G R, Cook W H . A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures[ A]. Proceedings of 7th international symposium on ballistics[ C] . Netherlands: 1983. 541-547.

7楊勇,柯映林,董輝躍.鈦合金切削絕熱剪切帶形成過程的有限元分析[J].浙江大學學報(工學版).2008,42(3):543-549.

8唐志濤,劉戰(zhàn)強,艾興,等.金屬切削加工熱彈塑性大變形有限元理論及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國機械工程.2007,18(6):746-751.

9姜增輝,李玉朋,呂楊.切削用量對車削Ti6Al4V切削力影響的研究[J].制造技術(shù)與機床.2013(8):95-97.

10張倩,占君.切削速度影響切削力的有限元模擬[J].工具技術(shù).2008,42(6):71-73.

11潘永智,艾興,唐志濤,等.基于切削力預(yù)測模型的刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)優(yōu)化[J].中國機械工程.2008,19(4):0-465.

Finite Element Simulation of Titanium Alloy Steady Cutting Based on ABAQUS

ZHENG Shuwei1, XIA Ping1, LEI Jingfa2

(1. College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei, 230036, China;2. Mechanical and electrical engineering college, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230601, China)

Abstract:The titanium alloy steady cutting process was simulated and analyzed by Johnson-cook material constitutive model and ALE meshing technology based on ABAQUS. The chip forming, the distribution of plastic strain in the cutting layer, and the temperature distribution of work-piece in the cutting process has been studied. The simulation results were in agreement with the experimental results from the chip shape. And the influences of different parameters (tool rake angle, cutting depth and cutting speed) on cutting force were discussed. It was found that in a certain range, increase of cutting angle or decrease cutting depth was good for cutting. Besides, the change of cutting speed had little effect on the cutting force in a certain range.

Key words:titanium alloy; cutting process; finite element simulation; cutting force

中圖分類號：TG501

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8382(2016)01-087-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160118

作者簡介：鄭術(shù)偉(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：先進制造技術(shù)。

收稿日期：2015-08-19