鄧志博，王哲，豆衛(wèi)濤，盧竹青

摘 要：為改善難加工材料高溫合金GH4169切削加工效率，研究了刀具前角對(duì)高溫合金GH4169切削過程的影響規(guī)律。結(jié)果表明，刀具前角有利于改變切屑和刀具的接觸距離，隨著刀具前角的增大，切削力和切削溫度不斷降低。隨著刀具切削的接觸長(zhǎng)度變短，刀具磨損率不斷降低，刀具耐用度提高。

關(guān)鍵詞：刀具前角;GH4169;切削力;切削溫度;刀具耐用度

中圖分類號(hào)：TU755.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0128-04

Analysis of the Influence of Tool Rake Angle on High-Speed Cutting Process of Superalloy GH4169

Deng Zhibo1， Wang Zhe1， Dou Weitao1， Lu zhuqing2

（1.Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710000， China;

2.Western Superconducting Technologies Co.， Ltd.， Xi an 710000， China）

Abstract：In order to improve the cutting efficiency of superalloy GH4169， the influence of cutting front angle on superalloy GH4169 cutting process is studied. The results show that the front angle of the tool is beneficial to change the cutting chip and the tool contact distance. As the contact length of the tool cutting becomes shorter， the tool wear rate decreases and the tool durability improves.

Key words：tool front corner; GH4169; cutting force; cutting temperature; tool durability

0 前言

高溫合金GH4169因其具有強(qiáng)度高，耐高溫等性能，被廣泛的應(yīng)用于航空航天工業(yè)中渦輪盤和葉片等部件[1]。但其切削加工難度大，主要表現(xiàn)在切削力大，導(dǎo)熱性差，刀具磨損嚴(yán)重[2]。為了解決其切削加工性，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)GH4169開展了多項(xiàng)研究。王哲等（2020）研究了切削三要素對(duì)GH4169切削過程中切削力和切削溫度的影響規(guī)律，并采用遺傳優(yōu)化算法對(duì)切削參數(shù)優(yōu)化分析[3]。范孝良等（2016）建立了GH4169二維正交切削有限元模擬，采用有限元仿真和試驗(yàn)對(duì)比的手段對(duì)鋸齒形切屑形態(tài)進(jìn)行了研究[4]。韓俊峰等（2020）針對(duì)GH4149磨削過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)磨削速度對(duì)殘余應(yīng)力影響較大，而磨削進(jìn)給量和磨削背吃刀量對(duì)工件的殘余應(yīng)力影響較小[5]。郭勝華等（2018）研究了GH4149表面噴丸強(qiáng)化，隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，工件表層顯微強(qiáng)度和表面粗糙度不斷提高，噴丸直徑越大，表面粗糙度越低[6-7]。本文針對(duì)GH4169高溫合金材料研究了高速切削過程中，刀具前角到切削力、切削溫度和刀具磨損率的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的切削仿真模型包括刀具和工件兩部分。工件的長(zhǎng)度為5 mm，寬度為3 mm;刀具長(zhǎng)0.5 mm，高度為0.5 mm，尖圓弧半徑為0.016 mm。工件采用的是“前進(jìn)四邊形”網(wǎng)格單元技術(shù)，該網(wǎng)格生成器首先沿給定輪廓邊界的邊界創(chuàng)建元素，網(wǎng)格創(chuàng)建將繼續(xù)向內(nèi)進(jìn)行，直到整個(gè)區(qū)域都被網(wǎng)格化為止[8]。使用的元素?cái)?shù)量約為8 000，最小元素大小設(shè)置為0.001 mm。在工具尖端周圍使用了更細(xì)的網(wǎng)格，材料在此處分離，刀具約10 000個(gè)單元，且最小元素大小為0.001 mm，如圖1所示。為研究刀具前角對(duì)高溫合金GH4169切削過程影響的分析[9]，本次試驗(yàn)進(jìn)行了單因素變量對(duì)比試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案參數(shù)如表1所示。

1.1 材料參數(shù)

切削過程是在高應(yīng)變和高應(yīng)變速率下進(jìn)行，應(yīng)變大小、應(yīng)變速率和溫度對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力有很大的影響。工件材料的熱塑性變形行為可用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述，本構(gòu)定律如式（1）：

式（1）中，A為屈服應(yīng)力;B為應(yīng)變硬化常數(shù);C為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù);m為熱軟化系數(shù);n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù); 為等效塑性應(yīng)變;為等效塑性應(yīng)變速率;為應(yīng)變率參量1.0 s-1;Tm是材料的熔化溫度1 344℃;Tr是室溫20℃;T是工件溫度。

表2列出了Johnson-Cook的本構(gòu)參數(shù)[10];表3列出了刀具和工件材料的物理和熱機(jī)械性能[11]。

1.2 摩擦模型

摩擦模型主要應(yīng)用在刀具和工件相互作用的過程中，它影響著切削熱的生產(chǎn)和切屑形態(tài)的變化。在實(shí)際切削過程中，刀具前刀面與切屑接觸密切，容易形成高溫高壓區(qū)域[12-13]，刀具前面和工件的相互作用可以分為粘接摩擦區(qū)和滑動(dòng)摩擦區(qū)，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，在刀尖附近，前刀面與切屑接觸正應(yīng)力很大，大于材料的臨界剪切應(yīng)力，摩擦應(yīng)力為常量，此區(qū)域?yàn)檎辰Y(jié)摩擦區(qū)域;與粘接摩擦區(qū)域相鄰的區(qū)域?yàn)榛瑒?dòng)摩擦區(qū)域，刀屑接觸正應(yīng)力較小，摩擦力與正應(yīng)力呈正比例，摩擦系數(shù)不停改變，如式（2）：

式（2）中：τn 為摩擦應(yīng)力;σn為前刀面與切削接觸面上的正應(yīng)力; τmax 為材料的臨界剪切應(yīng)力;μ為摩擦系數(shù)，取0.6。

1.3 斷裂準(zhǔn)則

斷裂準(zhǔn)則為了說明材料中的斷裂，斷裂準(zhǔn)則基于斷裂應(yīng)變能量或累積的塑性應(yīng)變，并且當(dāng)元素中達(dá)到斷裂準(zhǔn)則時(shí)，可通過從模型中刪除該元素來停用該元素。本文以Cockroft & Latham材料破壞準(zhǔn)則[14]作為仿真材料斷裂準(zhǔn)則，如式（3）：

式（3）中，σ*為最大主應(yīng)力;εe為等效應(yīng)變;W為材料的破壞值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具前角對(duì)切削溫度的影響

在高速切削過程中，刀具角度對(duì)切削溫度的影響如圖3、圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)?shù)毒咔敖菫?4°，切削溫度最高達(dá)到850℃，切削溫度隨著刀具前角的增大而減小;當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°，切削溫度降低到762℃。這是因?yàn)榈毒叩那敖窃龃?，金屬變形的剪切角增大，金屬塑性變形減小，所產(chǎn)生的塑性變形能量減小，切削溫度降低。

2.2 刀具前角對(duì)切削力的影響

在高速切削過程中，刀具角度對(duì)切削力的影響如圖5所示。由圖5可知，最高切削力值在前角為-4°觀察到，其大小為380 N。而在前角為4°時(shí)，切削力降為最低值275 N?？梢缘贸?，切削力均隨著前角的增加而減小。這是由于在金屬切削過程中，前角的增加通常會(huì)導(dǎo)致刀具—切屑界面的長(zhǎng)度變短，較短的刀具—切屑界面意味著較小的變形，沿著前刀面的摩擦力也減小，切削力隨之降低。

2.3 刀具前角對(duì)刀具磨損率的影響

刀具模型主要集中在前刀面和后刀面，并且后刀面的磨損率大于前刀面的磨損率，如圖6所示。由于前刀面和切屑在相互接觸區(qū)域產(chǎn)生較大的溫度和摩擦力，加速了前刀面的磨損。在后刀面區(qū)域，刀具的磨損區(qū)域主要接近于刀尖位置處，這主要是由于后刀面與已加工表面相互作用引起的磨損。

刀具前角和刀具磨損率的相互作用規(guī)律如圖7所示，從圖7可以得出，隨著刀具前角的增加，刀具的磨損率不斷降低。這主要是由于刀具前角增大，切削過程中切屑的剪切角減小，刀具同切屑界面的長(zhǎng)度變短，切削力和切削溫度降低，刀具磨損減小，刀具耐用度提高。

3 結(jié)語

本文采用有限元切削仿真方法，研究了刀具前角對(duì)切削力、切削溫度和刀具磨損率的影響。結(jié)果表明，刀具前角在-4°至4°內(nèi)，隨著刀具前角的增大，刀具和工件產(chǎn)生的切屑接觸長(zhǎng)度變短。此二者之間的摩擦力減小，切削力減小和切削溫度降低。隨著刀具切屑的接觸長(zhǎng)度變短，刀具磨損率不斷降低，刀具耐用度提高，同時(shí)后刀面的磨損率大于前刀面的磨損率。

參考文獻(xiàn)

[1]WU Daoxia， ZHANG Dinhua， YAO Changfeng. Effect of surface integrity of turned GH4169 superalloy on fatigue performance[J]. Journal of Aeronautical Materials，2017，37（6）：59-67.

[2]MA Jiangwei， GAO Yuanyuan， JIA Zhenyuan， et al. Influence of spindle speed on tool wear in high-speed milling of Inconel 718 curved surface parts[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2018，232（8）：1331-1341.

[3]王 哲，李 磊，沈雪紅. GH4169高溫合金切削仿真分析及工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 工具技術(shù)，2020，54（01）：59-62.

[4]范孝良，吳學(xué)華，王進(jìn)峰，等. 高速切削高溫合金GH4169數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42（07）：1 344-1 351.

[5]韓俊峰，梁軍華，李 健，等. GH4169高溫合金試件成形磨削表面殘余應(yīng)力研究[J]. 裝備制造技術(shù)，2020（03）：137-138+142.

[6]郭勝華，鄭海忠，程世平，等. 噴丸時(shí)間對(duì)GH4169合金表層組織及性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金，2018，38（07）：809-812.

[7]郭勝華，鄭海忠，程世平，等. 噴丸尺寸對(duì)GH4169表層濕噴丸組織與性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金，2018，38（06）：674-677.

[8]MOHAMMAD LOTFI， JAHANBAKHSH M，AKHAVAN FARID A. Wear estimation of ceramic and coated carbide tools in turning of Inconel 625：3D FE analysis[J]. Tribology International， 2016，99：107-116.

[9]陳 芳. 基于回轉(zhuǎn)刀架的三自由度數(shù)控車削加工建模仿真分析[J]. 粘接，2020，42（06）：125-128+157.

[10]OZEL T，LLANOS I， SORIANO J， et al. 3D Finite element modelling of chip formation process for machining inconel 718： Comparison Of Fe Software Predictions[J]. Machining Science and Technology，2011，15（1）：21-46.

[11]LORENTZON J， JRVSTR T N， JOSEFSON B L. Modelling chip formation of alloy 718[J]. Journal of Materials Processing Technology，2008，209（10）：4645-4653.

[12]杜宏益，何 林，杜紅星，等. 仿生摩擦學(xué)刀具織構(gòu)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（04）：138-142.

[13]馬浩騫，楊 東，程?hào)|化，等. 基于Abaqus的鈦合金Ti6Al4V切削仿真與工藝優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2020，42（11）：23-27+50.

[14]馬 偉，周曉勤，謝雪范，等. 基于Deform 2D的橢圓振動(dòng)切削仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（01）：118-121.