山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　倪雪婷　沈興全　曹衛(wèi)衛(wèi)　張繼明　李忠秋

鈦合金高速銑削力的有限元分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院倪雪婷沈興全曹衛(wèi)衛(wèi)張繼明李忠秋

將鈦合金Ti6Al4V高速銑削加工過程簡(jiǎn)化為二維切削有限元模型，運(yùn)用ABAQUS分析得到了加工參數(shù)及刀具幾何參數(shù)對(duì)銑削力的影響。由結(jié)果得出：刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量從600rpm，10mm/s變化到 2400rpm，40mm/s時(shí)對(duì)最大切向力與最大切深抗力的影響較為顯著；刀具前角在 5～ 15°范圍內(nèi)的增大有利于銑削力的降低。

鈦合金；銑削力；有限元

1引言

鈦合金具有強(qiáng)度高、抗高溫能力強(qiáng)、耐磨性好、綜合力學(xué)性能好等特性，因而應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，但同時(shí)鈦合金又具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，屬于難加工材料［1-2］。銑削力是加工過程中重要的物理量，銑削力對(duì)銑削機(jī)理、刀具、機(jī)床、夾具的設(shè)計(jì)、銑削用量的確定、刀具的幾何參數(shù)優(yōu)化等的研究都有很重要的意義。［3-4］

運(yùn)用ABAQUS建立簡(jiǎn)化的二維切削有限元模型對(duì)鈦合金Ti6Al4V的銑削加工過程進(jìn)行模擬研究，得到轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、刀具前角參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律。

2模擬過程分析

可以將銑削的三維切削轉(zhuǎn)化為二維切削建立模型，計(jì)算刀具的等效前角和等效后角，能更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)銑削過程的預(yù)測(cè)。

模擬過程分為3個(gè)階段：（1）起始階段：施加載荷及約束，約束底面自由度，給刀具施加初始切削速度；（2）切削階段：刀具對(duì)工件進(jìn)行切削，擠壓產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生大量的熱。（3）約束轉(zhuǎn)換及冷卻階段：切削完成后，去除位移邊界條件，添加約束限制工件運(yùn)動(dòng)，將工件的溫度冷卻至室溫。

3模擬結(jié)果分析

3.1轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的影響

三組模型參數(shù)采用600rpm，10mm/s 、1500rpm，25mm/s、2400rpm，40mm/s，刀具前角10°，后角5°。

圖1中的（1）、（2）、（3）是不同刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響。從圖中可以看出，在刀具接觸工件后切向力RF1和切深抗力RF2迅速增大至峰值，切向力和切深抗力在逐漸減小的同時(shí)上下波動(dòng)，刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量從600rpm，10mm/s變化到2400rpm，40mm/s時(shí)對(duì)最大切向力與最大切深抗力的影響較為顯著，其波動(dòng)幅度要明顯增大。

圖1刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響

圖2為刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)最大銑削力與平均銑削力的影響關(guān)系。從圖中可以得出，刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量增大時(shí)，最大切向力與平均切向力、最大切深抗力與平均切深抗力都會(huì)減小，并且最大切向力與最大切深抗力減小較快。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于在低速切削時(shí)，切削力是隨切削速度的增大而增大的，但當(dāng)其增大到一定程度達(dá)到其高速切削速度范圍時(shí)，切削力反而會(huì)下降，這也是高速切削的優(yōu)勢(shì)所在。3.2刀具前角的影響

圖2　刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)最大和平均銑削力的影響

三組刀具前角分別取 5°、10°和15°，后角5°，刀具轉(zhuǎn)速取1500rpm，進(jìn)給量取25mm/s。

圖3為刀具前角對(duì)最大與平均銑削力的影響。從圖中可以看出，隨著刀具前角的增大，最大切向力、最大切深抗力、平均切向力與平均切深抗力都是減小的，這說明刀具前角在一定范圍內(nèi)的增大是有利于銑削力的降低的。

圖3　刀具前角對(duì)最大和平均銑削力的影響

4結(jié)論

（1）刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量從600rpm，10mm/s變化到2400rpm，40mm/s時(shí)對(duì)最大切向力與最大切深抗力的影響較為顯著，一定范圍內(nèi)的高速切削有利于銑削力降低。

（2）刀具前角在5°到15°的范圍內(nèi)增大有利于銑削力的降低。

［1］張春江.鈦合金切削加工技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1986：22-24.

［2］劉軍偉，武導(dǎo)俠，姚倡鋒.TC4鈦合金高速銑削力研究 ［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（19）：1-7.

［3］楊振朝，張定華，姚倡鋒等.TC11鈦合金插銑加工銑削力影響參數(shù)的靈敏度分析［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，30（9）：1776-1381.

［4］王明海，李世永，王京剛等.航空鈦合金Ti6Al4V的三維銑削加工有限元仿真 ［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（7）：1036-1039.

倪雪婷，1989年出生，山西太原人，在讀碩士，研究方向：鈦合金高速銑削加工。基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51175482）