陳舜青 路文斌

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

鈦合金具有高強(qiáng)度、密度小的特點(diǎn)，在航天發(fā)動(dòng)機(jī)、人造地球衛(wèi)星和載人飛船上有廣泛的應(yīng)用[1]。另外，鈦合金材料還具有較低的彈性模量、容易黏結(jié)和耐磨性差的特點(diǎn)，是一種較難加工的材料[2]。由于散熱性差，在切削加工的過程中產(chǎn)生大量的切削熱不能及時(shí)的消散，加劇刀具的磨損，使得鈦合金的加工工藝不高，切削形成的已加工表面質(zhì)量較差。因此提高刀具的使用壽命和鈦合金加工工藝水平尤其重要。

馬浩騫等[3]運(yùn)用ABAQUS仿真軟件建立了二維切削仿真模型，研究刀具前角及切削參數(shù)對(duì)切削力和切削熱的影響規(guī)律，并進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化。楊文等[4]采用有限元仿真和切削實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出了車刀的幾何參數(shù)對(duì)高溫合金切削力的影響規(guī)律，并獲得切削力最小時(shí)刀具的幾何參數(shù)。楊帆等[5]運(yùn)用ABAQUS仿真軟件在高速切削的條件下對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行切削仿真模擬，為復(fù)合材料的高速切削提供了參考依據(jù)?，F(xiàn)階段對(duì)鈦合金的切削研究多為改變刀具的切削用量參數(shù)進(jìn)行研究[6-11]，而研究刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鈦合金的切削性能影響相對(duì)較少。

選用刀片BO6020的MS型斷屑槽，以斷屑槽擋墻為參數(shù)變量建立三維切削仿真模型。先采用單因素實(shí)驗(yàn)法，提取不同斷屑槽擋墻的高度、傾斜角度和最小槽間距在有限元仿真下的切削力，借助Origin軟件對(duì)切削力進(jìn)行處理，定量的研究擋墻的高度、傾斜角度和最小槽間距對(duì)切削力的影響。后以擋墻的高度、傾斜角度及最小槽間距作為優(yōu)化變量，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)切削力進(jìn)行數(shù)值模擬，再運(yùn)用極差分析法和方差分析法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)，從而使切削鈦合金的工藝水平得到提高。

1 切削仿真模型

1.1 刀具及工件模型

刀具的材料為硬質(zhì)合金YG8，其中刀具斷屑槽截面的示意圖如圖1所示，其中H代表擋墻的高度，a為擋墻的傾斜角度，Ws為最小槽間距，Wn為最大槽間距，H、a、Ws、Wn均與擋墻相關(guān)的變量，工件的材料為鈦合金Ti6Al4V。運(yùn)用ABAQUS軟件建立三維切削仿真模型，車削仿真模型如圖2所示，X、Y、Z方向分別為切削、進(jìn)給和背吃刀量方向。為了縮短仿真的時(shí)間和提高切削仿真的準(zhǔn)確性，其中刀具網(wǎng)格單元的最小尺寸為0.1 mm，最大網(wǎng)格單元的尺寸為0.15 mm。工件的最小單元網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，最大單元的網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。

1.2 材料模型

為了準(zhǔn)確地描述材料在切削過程中的高應(yīng)變以及高溫所引起的力學(xué)行為，采用Johnson-Cook[12-13]本構(gòu)模型。其表達(dá)式為：

(2)

式中：σeq為流動(dòng)應(yīng)力；εeq為等效彈性應(yīng)變；ε0為參考應(yīng)變率；T*、Tm、Tr分別為工件的變形溫度、熔點(diǎn)和室溫;A為準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度;B為硬度模量;n為應(yīng)變硬化參數(shù);C、m分別為應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)和熱軟化系數(shù)。

鈦合金Ti6Al4V的Johnson-Cook(J-C)的本構(gòu)參數(shù)如表1所示[14]。

表1 鈦合金的材料本構(gòu)參數(shù)

2 仿真模擬結(jié)果

為了研究斷屑槽擋墻的高度、傾斜角度及最小槽間距對(duì)切削力的影響，在固定其他參數(shù)不變的情況下，分別改變擋墻的高度、傾斜角度及最小槽間距等因素進(jìn)行三維有限元切削仿真。切削速度V=100 m/min，背吃刀量ap=1.5 mm，進(jìn)給量f=0.3 mm/r，仿真結(jié)果的主切削力大于徑向力和軸向力，取主切削力的平均值進(jìn)行研究分析。

2.1 擋墻的傾斜角度對(duì)切削力的影響

圖3為切削鈦合金的主切削力隨擋墻傾斜角度的變化的規(guī)律圖。當(dāng)擋墻的傾斜角度較小時(shí)，切屑未在擋墻的作用下發(fā)生塑性變形從而卷曲，此時(shí)的主切削力未有明顯的變化，主切削力較平穩(wěn)；當(dāng)擋墻的角度大于35°時(shí)，主切削力的變化較明顯，是因?yàn)殡S著擋墻的傾斜角度的逐漸增大，切屑受到擋墻的阻礙作用逐漸增強(qiáng)，受力變形從而彎曲，刀具在切削的過程中受到的切削抗力逐漸增大，因此主切削力也隨之增大。擋墻的傾斜角度過大時(shí)，切屑不能流出斷屑槽會(huì)過度卷曲發(fā)生折斷，此時(shí)的斷屑槽會(huì)因?yàn)槎氯プ饔?。隨切削的進(jìn)行，加劇刀具的磨損，減小刀具的使用壽命。因此，擋墻的傾斜角度要根據(jù)切削用量在合理適合的范圍內(nèi)。

2.2 擋墻高度對(duì)切削力的影響

由圖4可知，隨著擋墻高度的增加，主切削力先減小而后趨于穩(wěn)定，當(dāng)高度為0.1 mm時(shí)，主切削力為878.8 N；高度為0.3 mm時(shí)，主切削力為869.4 N。從減小的幅度上來看，擋墻的高度對(duì)主切削力的影響較小。這是因?yàn)閾鯄Φ母叨容^小時(shí)，斷屑槽擋墻起到阻礙切屑的主要作用，當(dāng)切屑流出擋墻面后再次受到前刀面的擠壓與摩擦，故而受到的主切削力較大。隨著擋墻高度的增加，切屑受到擋墻面的阻礙作用而不受到前刀面的擠壓與摩擦，此時(shí)，切屑受到的阻礙作用未有很大的變化，所以主切削力趨于穩(wěn)定?？紤]擋墻高度對(duì)切削的影響作用，較大的擋墻高度將會(huì)引起切削過程不穩(wěn)定，切削的振動(dòng)較大，綜合考慮，擋墻的高度不宜過大。

2.3 最小槽間距對(duì)切削力的影響

圖5為最小槽間距(Ws)對(duì)切削力影響的規(guī)律圖，由圖可知，隨著Ws的增大，主切削力先逐漸減小然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)Ws較小時(shí)，切屑受到擋墻面的阻礙作用越大，刀具在切削時(shí)受到的切削抗力越大，故而主切削力就越大。隨著Ws的增大，擋墻面對(duì)切削的阻礙程度逐漸減弱，主切削力因此也就逐漸減小。當(dāng)Ws較大時(shí)，切屑不受擋墻的阻礙作用發(fā)生塑性變形而彎曲，主切削力也隨之趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最小槽間距過小會(huì)使刀具斷屑槽發(fā)生堵塞，此時(shí)主切削力也會(huì)隨之增大，從而加具刀具的摩擦、磨損，影響刀具的使用壽命和被加工工件的表面質(zhì)量。因此，在考慮刀具的切削性能和使用壽命，Ws的選取應(yīng)在合理的范圍內(nèi)。

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過上述研究，在硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金的三維仿真實(shí)驗(yàn)中，影響切削力的因素較多，且影響的程度有所差異。為了研究刀具斷屑槽擋墻不同的參數(shù)對(duì)切削力的影響程度，考慮各因素對(duì)主切削力的影響不是獨(dú)立的，故采用正交實(shí)驗(yàn)法以斷屑槽擋墻的高度、傾斜角度及最小槽間距為優(yōu)化參數(shù)，其中這3個(gè)因素的變化范圍為：H為0.1～0.4 mm；Ws為0.2～0.6 mm；a為20～60°。對(duì)于這3個(gè)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置4個(gè)水平，具體的參數(shù)設(shè)置如表2所示，利用有限元ABAQUS軟件進(jìn)行切削仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的方案可得到16組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的主切削力取其平均值，故正交實(shí)驗(yàn)的主切削力結(jié)果如表3所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表3 正交實(shí)驗(yàn)主切削力結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

對(duì)表3進(jìn)行極差分析，可得到主切削力的結(jié)果如表4所示。用字母A表示擋墻高度，字母B表示擋墻的傾斜角度，字母C表示最小槽間距，K1、K2、K3分別表示3個(gè)水平上對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)之和，k1、k2、k3則表示3個(gè)水平上對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)和的平均值，極差R與k1、k2、k3有關(guān)，其數(shù)值的大小等于3個(gè)數(shù)中的最大值減去最小值。通過比較極差R的大小評(píng)判各因素影響程度的高低，極差的數(shù)值越大，則表示該因素的影響程度越大，數(shù)值越小則影響程度越小。由表4可得，主切削力的極差大小的排序?yàn)椋篊、B、A，也即最小槽間距的極差值最大，擋墻高度的極差值最小。因此，最小槽間距對(duì)主切削力的影響程度最大，其次是擋墻的傾斜角度，影響最小的是擋墻的高度。綜合考慮切削性能和加工表面質(zhì)量，從擋墻的主要作用和對(duì)主切削力的極差分析結(jié)果進(jìn)行分析，最適合切削的擋墻的參數(shù)為：高度H=0.3 mm，傾斜角度a=45°，最小槽間距Ws=0.4 mm。

表4 主切削力極差分析結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的刀具參數(shù)是否具有實(shí)際意義，車削工件材料為Ti6Al4V鈦合金棒料，尺寸為φ30 mm×200 mm，再選取MS型刀片BO6020進(jìn)行車削試驗(yàn)與模擬仿真。

機(jī)床采用沈陽機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的CM614OA臥式車床。測(cè)力儀采用YDCB-Ⅲ25壓電石英測(cè)力儀，由切削力傳感器、信號(hào)采集卡及驅(qū)動(dòng)、電荷放大器以及計(jì)算機(jī)組成。切削過程中，通過切削力傳感器產(chǎn)生的切削力電荷信號(hào)經(jīng)過放大之后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在通過信號(hào)采集傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，分析過后得到平均切削力，再通過對(duì)切削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真的主切削力進(jìn)行分析與研究，驗(yàn)證模擬仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性。

運(yùn)用單因素實(shí)驗(yàn)法研究擋墻的高度、傾斜角度及最小槽間距對(duì)主切削力的影響，模擬仿真所采用的工件、刀具及切削條件與車削試驗(yàn)完全相同。其中車削實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集裝置分別如圖6和圖7所示。

根據(jù)圖8中車削試驗(yàn)與模擬仿真結(jié)果對(duì)比可知，主切削力的仿真值都比試驗(yàn)值偏大，由于仿真中Ti6Al4V鈦合金的Johnson-Cook損傷參數(shù)中的破壞位移比實(shí)驗(yàn)中的鈦合金棒料參數(shù)偏大，導(dǎo)致切削力的仿真值偏大。但誤差控制在15%以內(nèi)，充分證明了車削仿真的可靠性。

5 結(jié)語

通過單因素實(shí)驗(yàn)法和正交實(shí)驗(yàn)法研究了MS 型斷屑槽擋墻對(duì)車削鈦合金的影響并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的范圍內(nèi)可以得到以下結(jié)論：

(1)運(yùn)用單因素實(shí)驗(yàn)法分析斷屑擦擋墻對(duì)切削鈦合金主切削力的影響規(guī)律。切削力隨著傾斜角度的增大先趨于穩(wěn)定再逐漸增大，隨最小槽間距和擋墻高度的增大先減小而后趨于穩(wěn)定。

(2)對(duì)于MS型槽型刀片在切削鈦合金的主切削力:槽間距對(duì)主切削力的影響程度最大，其次是擋墻的傾斜角度，擋墻的高度對(duì)主切削力的影響最小。

(3)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的范圍內(nèi)，綜合考慮擋墻的作用和主切削力的極差分析結(jié)果，最優(yōu)的加工參數(shù)為：高度H=0.3 mm，傾斜角度α=45°，最小槽間距Ws=0.4 mm。

(4)研究斷屑槽擋墻的參數(shù)可以獲得更好的斷屑機(jī)能，為設(shè)計(jì)和制造新型刀具提供理論依據(jù)，對(duì)提高加工效率和質(zhì)量有著重要的意義。