苗　淼

(海軍裝備部，陜西 西安 710021)

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基于鈦合金三維銑削仿真的立銑刀設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化*

苗淼

(海軍裝備部，陜西 西安 710021)

以鈦合金圓角立銑刀的槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角為因子，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對9種采用不同參數(shù)組合的銑刀設(shè)計(jì)方案側(cè)銑加工Ti-6Al-4V(TC4)進(jìn)行了三維銑削仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，以切削力和切削溫度為刀具性能評價指標(biāo)，初步優(yōu)選了3個刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過切削實(shí)驗(yàn)，將3個初選方案銑削加工TC4的切削性能與現(xiàn)有方案進(jìn)行了對比，結(jié)果表明3個初選方案中有2個方案的性能要顯著好于現(xiàn)有方案，從而證明了有限元切削仿真在刀具設(shè)計(jì)優(yōu)化方面有效性，并最終確定了一個最佳方案。

鈦合金；正交實(shí)驗(yàn)；三維銑削仿真；切削力；立銑刀

鈦合金具有比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高、抗斷裂韌性好、耐腐蝕等優(yōu)良特性，在航空航天、原子能、電力、化工、船舶等多個行業(yè)得到大量應(yīng)用。然而，由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性高、微觀組織中存在硬質(zhì)相，導(dǎo)致機(jī)械加工過程中切削溫度高、切削力大、加工硬化和刃口粘結(jié)磨損現(xiàn)象均很嚴(yán)重，刀具切削壽命較低。為了提高現(xiàn)有鈦合金銑刀的壽命，降低切削加工參數(shù)是一種可行的辦法，但這種方法犧牲了加工效率。顯然，另一種更有效、更有價值的方法是通過優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高其切削加工性能。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，有限元切削仿真技術(shù)被大量應(yīng)用于刀具切削機(jī)理研究和刀具輔助設(shè)計(jì)中。許業(yè)林等[1]基于AdvantEdge三維銑削仿真，分析了銑削TA15時切削溫度與銑削參數(shù)之間的關(guān)系，并對切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。王明海等[2]基于ABQUS三維銑削仿真，建立了銑削Ti-6Al-4V時的切削速度與切削力之間的關(guān)系模型，并通過切削力實(shí)驗(yàn)對模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。Wyen等[3]研究了鈦合金切削加工中刃口半徑對切削力的影響。I Escamilla等[4]應(yīng)用ABQUS軟件和有限元仿真方法，對銑削Ti-6Al-4V時刀具、工件的切削溫度和切削應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測。E Amini等[5]應(yīng)用有限元法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，探討了鈦合金Ti-6Al-4V產(chǎn)生塑性變形的失效機(jī)理，研究表明Ti-6Al-4V的失效總是在兩種不同晶相的邊界處發(fā)生。林琪等[6]應(yīng)用AdvantEdge軟件建立了加工鈦合金Ti-6Al-4V的三維立銑模型，采用單因素實(shí)驗(yàn)法分析了平頭立銑刀的螺旋角、徑向前角和刀具齒數(shù)對銑削力、單位切削能及切削溫度的影響，并根據(jù)仿真分析結(jié)果對立銑刀的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

由于金屬切削過程的客觀復(fù)雜性和有限元仿真軟件的局限性， 目前有關(guān)鈦合金切削仿真的研究大都沒有將仿真結(jié)果與刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化切實(shí)結(jié)合起來。本文應(yīng)用AdvantEdge軟件，對圓鼻銑刀銑削TC4的切削力和切削溫度進(jìn)行仿真研究，根據(jù)仿真結(jié)果對刀具設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過切削力和切削性能實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　鈦合金三維切削仿真正交實(shí)驗(yàn)

1.1刀具方案正交設(shè)計(jì)表

本實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)，利用CATIA軟件建立9種不同設(shè)計(jì)參數(shù)組合的圓角立銑刀的三維實(shí)體模型，并將模型轉(zhuǎn)換成STL格式后導(dǎo)入AdvantEdge軟件中進(jìn)行了三維切削仿真，分析切削力和切削溫度。銑刀直徑規(guī)格為φ10 mm，采用不等齒距不等螺旋角結(jié)構(gòu)，具有高抗振性，刀具涂層為AlTiN。 實(shí)驗(yàn)采用L9(34)正交表，4個因子分別為槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角，9個刀具方案如表1所示。

表1　切削仿真實(shí)驗(yàn)刀具方案L9(34)正交表

1.2切削仿真條件

圖1、圖2所示分別為鈦合金圓鼻銑刀的三維實(shí)體模型和網(wǎng)格模型。仿真中采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，非切削區(qū)域采用粗網(wǎng)格，切削區(qū)域采用加密網(wǎng)格，這樣既保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，又可以提高計(jì)算效率，減少仿真時間。

仿真時刀具涂層和工件材料分別設(shè)置為TiAlN和Ti-6Al-4V，兩者均采用AdvantEdge軟件自帶的材料本征模型。工件材料Ti-6Al-4V的其他物理參數(shù)設(shè)置如下：彈性模量E=114 GPa，泊松比μ=0.34，熱擴(kuò)散系數(shù)α=9.6×10-6m2/s，熱傳導(dǎo)率λ=4～16 W/(m·K)，比熱容量Cp≈520 J/(kg·K)。仿真中采用側(cè)銑和順銑的加工方式，切削參數(shù)如表2所示。

表2　仿真實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)

1.3仿真結(jié)果極差分析

切削力和切削溫度是評價刀具性能的兩個重要指標(biāo)。通常切削力決定切削功率，影響切削溫度和切削過程的穩(wěn)定性；而切削溫度會影響刀具高溫性能，過高的溫度會加劇刀具的磨損。尤其對于鈦合金刀具來說，由于加工中易產(chǎn)生高溫，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，所以應(yīng)盡量使刀具加工中的切削力小、切削溫度低，從而延緩刀具的失效。

為分析鈦合金銑刀的螺旋角、芯厚、齒間角和螺旋角對其切削性能的影響，將銑刀切削力和切削溫度進(jìn)行極差分析。極差分析法是正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法，運(yùn)用極差分析，可以確定因子對指標(biāo)影響程度的主次順序和因素的最優(yōu)水平組合。

提取9個方案刀具三維切削仿真得到的最大切削力和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表3所示。該表中的各個因子與水平與表1存在一一對應(yīng)關(guān)系(如因子D對應(yīng)螺旋角，D1、D2、D3分別對應(yīng)螺旋角的三個水平38°/40°、36°/38°和40°/42°)。K1、K2、K3分別對應(yīng)因子第1、第2和第3水平的均值，F(xiàn)表示最大切削力，T表示最高切削溫度，R表示因子的極差。

由表3可以得出以下結(jié)論：

(1)刀具設(shè)計(jì)參數(shù)對切削力影響的強(qiáng)弱程度由大到小排序依次為前角>芯厚>齒間角>螺旋角，但總體來看，四者相差不明顯。從減小刀具切削力的角度考慮，最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合為A1B3C3D2，即前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角36°/38°。

(2)刀具設(shè)計(jì)參數(shù)對切削溫度影響的強(qiáng)弱程度由大到小排序依次為前角>螺旋角>齒間角>芯厚，且前角和螺旋角的影響特別顯著，芯厚和齒間角影響較小。從減小刀具切削溫度的角度考慮，最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合為A1B1C2D3，即前角4°，芯厚6.1 mm，齒間角85°/95°，螺旋角40°/42°。

表3　切削力和溫度極差分析表

(3)綜合考慮切削力和切削溫度，最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合應(yīng)為A1B3C3D3，即前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角40°/42°。

根據(jù)三維切削仿真結(jié)論，初步優(yōu)選切削力最小(1#)、切削溫度最低(2#)和綜合性能最佳(3#)共3個設(shè)計(jì)方案，如表4所示。表中4#方案為現(xiàn)有刀具方案。

表4　初步優(yōu)選方案與現(xiàn)有刀具方案參數(shù)對比

2　鈦合金銑刀切削性能對比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證三維切削仿真方法應(yīng)用于優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的有效性，開展切削性能對比實(shí)驗(yàn)研究，對比表4中四種圓角立銑刀的切削性能。

2.1實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)工件材料與切削仿真實(shí)驗(yàn)中的工件材料一樣，同為鈦合金TC4，其組成為Ti-6Al-4V，屬于а+β兩相鈦合金。實(shí)驗(yàn)機(jī)床為國產(chǎn)VMC 1000S三軸數(shù)控機(jī)床，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中加工方式為順銑，采用乳化液進(jìn)行冷卻，切削參數(shù)見表5。

表5　切削性能對比實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)

考慮到鈦合金刀具加工壽命一般不長，實(shí)驗(yàn)中以20 min為一個實(shí)驗(yàn)周期，刀具每使用20 min后取出，采用Digital Microscope KH-1300超景深檢測設(shè)備(見圖4)檢測刀具刃口的崩缺和磨損情況，并據(jù)檢測結(jié)果對刀具性能進(jìn)行評價。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

鈦合金銑刀在加工鈦合金過程中，刀具切削刃的失效形式主要表現(xiàn)為擴(kuò)散磨損、粘結(jié)磨損和氧化磨損[7]，故本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)針對刀具刃口狀態(tài)進(jìn)行檢測。

從檢測結(jié)果來看，第1個實(shí)驗(yàn)周期(前20 min)過后，4種刀具方案的刃口狀態(tài)均表現(xiàn)為正常的均勻磨損，磨損值都不超過40 μm，如圖5所示。其中1#與4#刀具磨損值相對較小，基于仿真結(jié)果分析，這是由于這兩個方案的切削力小，在加工初期刀具刃口承受的切削載荷相對更小，后刀面與工件已加工表面的摩擦力也小一些。

隨著加工過程的進(jìn)行，刀具刃口前、后刀面磨損的逐漸加大，導(dǎo)致切削力增大，再加上鈦合金導(dǎo)熱性能差，切削區(qū)域的溫度不斷升高。過高的切削溫度導(dǎo)致刀具刃口強(qiáng)度下降，同時由于工件的硬化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，切削刃在斷續(xù)銑削中，受到較大的沖擊載荷，很容易產(chǎn)生刃口崩缺現(xiàn)象。如圖6所示，第2個實(shí)驗(yàn)周期過后，1#刀具周刃后刀面出現(xiàn)嚴(yán)重的連續(xù)崩缺，2#刀具僅在邊界處(距離刀具底刃端平面為軸線切深的位置)出現(xiàn)1個較大的缺口，3#刀具僅在周刃中部出現(xiàn)1個較小缺口，4#刀具與1#刀具類似，刃口出現(xiàn)了連續(xù)崩缺。初步來看，切削溫度最低方案(2#)和綜合性能最佳方案(3#)表現(xiàn)相對更好一些。

第3個實(shí)驗(yàn)周期過后，刀具磨損進(jìn)一步加大，切削溫度達(dá)到極限，前期存在于刀具涂層和基材內(nèi)部，因機(jī)械沖擊和熱沖擊導(dǎo)致的微裂紋在此階段大肆擴(kuò)展，在加上高溫對刀具的氧化作用，導(dǎo)致4種刀具的刃口均出現(xiàn)了不同程度的連續(xù)崩缺狀況，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，大部分缺口處呈現(xiàn)為3層，第1個崩缺層厚度較小，應(yīng)為涂層剝落導(dǎo)致；第2、3層應(yīng)為粘結(jié)磨損導(dǎo)致的基材剝落。

綜合上述分析，確定本文所使用的鈦合金圓鼻銑刀4個關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳設(shè)計(jì)組合為前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角40°/42°?？梢姡O(shè)計(jì)鈦合金銑刀應(yīng)以降低切削溫度為首要目標(biāo)，其次再考慮切削力大小。

3　結(jié)語

(1)從切削仿真結(jié)果來看，鈦合金銑刀的槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角4個因素對刀具銑削力的影響相差不大；但4個因素中，槽前角和螺旋角對切削溫度的影響要顯著大于芯厚和齒間角。

(2)對于切削力和切削溫度兩個因素，在加工初期切削力對刀具磨損的影響更大，但在刀具壽命周期的中后期，切削溫度的影響更大。

(3)本文所使用的鈦合金圓鼻銑刀4個關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳設(shè)計(jì)方案為前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角40°/42°。

[1]許業(yè)林，朱春臨，張沖，等.鈦合金銑削仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電子機(jī)械工程，2012，28(4)：53-59.

[2]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.

[3]Wyen C F，Wegener K. Influence of cutting edge radius on cutting forces in machining titanium [J]. CIRP Annals Manufacturing Technology，2010，59(1)：93-96.

[4]Escamilla I，Zapata O，Gonzalez B，et al. 3D finite element simulation of the milling process of a Ti6Al4V alloy [C]. 2010 SIMULIA Customer Conference，2010.

[5]Amini E，Madadi F，Katani Sh，et al. Simulation of plastic deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy by finite element method[J]. Journal of Advanced Materials and Processing，2013，1(2)：3-10.

[6]林琪，劉戰(zhàn)強(qiáng)，曹成銘，等.切削Ti-6Al-4V硬質(zhì)合金涂層平頭立銑刀的幾何參數(shù)優(yōu)化仿真研究[J].工具技術(shù)，2011，45(10)：7-11.

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Optimization of design parameter of end mill based on simulation for three-dimensional milling process of titanium alloy

MIAO Miao

(Naval Equipment Department, Xi’an 710021, CHN)

By applying orthogonal experimental design method with rake angle, core diameter, pitch angle and helical angle as factors, a simulation for three-dimensional milling process of titanium alloy Ti-6Al-4V (TC4), using 9 kinds of end mill with different parameters is carried out. According to the simulation results, three end mill design schemes are tentatively optimized, aiming at reducing cutting force and temperature. Through an experiment of milling titanium alloy TC4, the cutting performance of the three optimized tools is compared with that of the existing tool. The results show that two schemes among the three optimized tools are significantly better than the existing one. It proves the effectiveness of machining simulation by finite element method in design optimization of cutting tools, and the best tool scheme is finally decided.

titanium alloy; orthogonal experiment; 3-D milling simulation; cutting force; end mill

TG714

A

苗淼，女，1976年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)制造及試驗(yàn)。

(編輯汪藝)(2015-10-08)

160114

*中航工業(yè)集團(tuán)項(xiàng)目(2012HKG530)