路文斌，陳舜青

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

1 引言

鈦合金是一種強(qiáng)度和剛度都較好的輕質(zhì)材料，因具備良好的機(jī)械性能被廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。隨著硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展，許多零部件采用車削鈦合金材料的方式加工生產(chǎn)[2]。車削的主要問(wèn)題是刀具的切削性能和被加工工件的表面質(zhì)量較差，刀具的結(jié)構(gòu)是影響這些問(wèn)題的主要因素之一。在自動(dòng)化切削生產(chǎn)線中，切屑形態(tài)反映了加工工藝的好壞[3]，為了使切屑達(dá)到可控的要求，復(fù)雜三維斷屑槽得到了廣泛的應(yīng)用。

唐聯(lián)耀等[4]對(duì)微織構(gòu)刀具進(jìn)行了研究，分析結(jié)果表明，使用微織構(gòu)刀具進(jìn)行切削加工，可提高已加工表面質(zhì)量。周知進(jìn)等[5]運(yùn)用單因素試驗(yàn)法建模，得到了刀具切削的最佳幾何參數(shù)。江敏等[6]以薄壁葉片為研究對(duì)象，構(gòu)建關(guān)于刀具幾何參數(shù)的切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，預(yù)測(cè)了切削力。賴曲芳等[7]研究刀具不同的幾何參數(shù)在不同切削用量下的切削性能，得出了對(duì)切削形貌的影響規(guī)律。張曉輝等[1]建立二維熱力耦切削仿真模型對(duì)表面殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)超聲切削后工件的表面殘余應(yīng)力較普通切削時(shí)小。孫會(huì)來(lái)等[8]建立了二維切削航空7075鋁合金模型，模擬出切削熱、切削力、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的變化情況。其他學(xué)者通過(guò)改變斷屑槽的棱帶寬度、前角、刃口高度、深度等，從而降低切削力、切削溫度、接觸摩擦和刀具磨損，提高刀具使用性能[9-11]。

通過(guò)設(shè)計(jì)三種僅槽背不同的斷屑槽刀具，在ABAQUS軟件中進(jìn)行三維有限元仿真，研究刀具的切削性能。通過(guò)改變斷屑槽槽背的幾何形狀，研究對(duì)切削力、切削溫度、切屑卷曲程度、殘余應(yīng)力以及塑性應(yīng)變的影響，借助ORIGIN軟件提取、擬合切削力和切削熱的數(shù)據(jù)，繪制斷屑槽槽背與切削力、切削熱的關(guān)系曲線和柱狀圖，定量研究斷屑槽槽背的幾何形狀對(duì)切削力、切削熱等的影響規(guī)律，為探尋刀具切削加工Ti6Al4V鈦合金最佳工藝提供依據(jù)。

2 有限元模型

2.1 刀具參數(shù)及模型

為了比較不同斷屑槽槽背對(duì)Ti6Al4V鈦合金切削性能的影響，設(shè)計(jì)了單斜面型槽背、斜面和柱面組合型槽背以及柱面型槽背刀具進(jìn)行切削參數(shù)試驗(yàn)，不同槽背刀具如圖1所示，用字母X表示單斜面型槽背，XZ表示斜面和柱面組合型槽背，Z表示柱面型槽背。

(a)X型

2.2 材料模型

工件采用Ti6Al4V鈦合金，刀具材料為YG8硬質(zhì)合金。將該模型與刀具結(jié)合，形成車削仿真模型，如圖2所示，X方向?yàn)榍邢鞣较?，Y方向?yàn)檫M(jìn)給方向，Z方向?yàn)榍邢魃疃确较?。金屬的切削過(guò)程始終在高溫、高壓的環(huán)境下，工件材料的流動(dòng)應(yīng)力受應(yīng)力、應(yīng)變和溫度軟化等多種效應(yīng)的影響。因此，采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型，該模型描述了產(chǎn)品材料在應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度影響下的流動(dòng)應(yīng)力[12，13]。本構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 車削仿真模型

表1 鈦合金的材料本構(gòu)參數(shù)

(1)

(2)

式中，σeq為流動(dòng)應(yīng)力；A為準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度；B為硬度模量；εeq為等效彈性應(yīng)變；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)；ε0為參考應(yīng)變率；T*，Tm和Tr分別為工件的變形溫度、熔點(diǎn)和室溫。

網(wǎng)格的疏密程度直接影響仿真的計(jì)算結(jié)果，為了使切削仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加精確，減少仿真所需時(shí)間。在工件塑性變形區(qū)域附近切割區(qū)域劃分的網(wǎng)格密度較大，而其他區(qū)域劃分的網(wǎng)格密度較小，設(shè)定工件的最大網(wǎng)格尺寸是0.6mm，最小網(wǎng)格尺寸是0.05mm。刀具部分進(jìn)行拆分處理，劃分為幾個(gè)區(qū)域，對(duì)刀具切削刃及斷屑槽的槽背部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其它區(qū)域的網(wǎng)格密度較疏，切削刃的最小網(wǎng)格尺寸為0.1mm。

3 仿真結(jié)果及分析

設(shè)切削速度V=100m/min，背吃刀量ap=1.5mm，進(jìn)給量f=0.3mm/r。

3.1 不同斷屑槽的切屑形態(tài)分析

在實(shí)際的切削加工中，斷屑槽槽背的幾何形狀直接影響加工表面的質(zhì)量，而觀察切屑大小及形狀是研究切削性能好壞的重要因素。通過(guò)模擬不同斷屑槽槽背下切削仿真實(shí)驗(yàn)，切屑形態(tài)分別見圖3。

(a)X型

從有限元模擬結(jié)果來(lái)看，Z型斷屑槽形成切屑的卷曲程度最大，卷曲半徑最小。X型斷屑槽刀具形成切屑的卷曲程度最小，卷曲半徑最大。而XZ型刀具形成切屑的卷曲程度介于X和Z型刀具之間，這是由于Z型斷屑槽與X型、XZ型斷屑槽的槽背相比，反屑角較大，切屑受到槽背的阻礙程度更大，斷屑槽的槽背會(huì)施加反作用力，因此切屑在Z型斷屑槽前刀面上的側(cè)向彎曲曲率更大，卷曲半徑更小，最終導(dǎo)致切屑的變形程度較大。

3.2 切削力的影響

圖4為不同斷屑槽槽背下的主切削力隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，在一段時(shí)間內(nèi)，三種不同類型的槽背刀具所形成的切削力近似相同。因?yàn)樵谇邢鞯某跏茧A段，切屑還未觸碰到擋墻，刀具與切屑的接觸摩擦程度大致相同，因此切削力的大小程度也近似相同。隨著切削的進(jìn)行，三種不同類型槽背刀具在仿真過(guò)程中所形成的切削力均逐漸上升而后趨于穩(wěn)定，不同在于Z型斷屑槽刀具的切削力較大。Z型槽背的反屑角較大，切屑在卷曲的過(guò)程當(dāng)中，很大一部分受到斷屑槽槽背的阻擋，切屑受力變卷曲，刀具此時(shí)受到較大的切削抗力，所以此時(shí)的切削力較大。觀察三種不同斷屑槽槽背刀具所形成的切削力大小，可以看到切削力相差的幅度不大，因此，斷屑槽槽背的幾何形狀對(duì)切削力的影響較小。

圖4 不同斷屑槽的槽背主切削力變化曲線

3.3 切削溫度的影響

切削熱的產(chǎn)生主要源于三個(gè)變形區(qū)，而產(chǎn)生的切削熱主要通過(guò)切屑、工件和刀具等消散。過(guò)多的切削熱會(huì)加劇刀具磨損，影響已加工表面的質(zhì)量和刀具的使用壽命。斷屑槽槽背的幾何形狀對(duì)切削溫度的影響如圖5所示，三種斷屑槽槽背切削時(shí)的平均切削溫度近似相同，所以槽背的幾何形狀對(duì)切削的溫度影響很微小，這是因?yàn)閿嘈疾鄄郾车闹饕饔檬歉淖兦行嫉牧餍冀牵骨行嫉木砬潭劝l(fā)生改變，切屑和刀具之間的接觸摩擦并未發(fā)生很大改變，因此切削過(guò)程產(chǎn)生的切削熱未發(fā)生很大變化。

圖5 不同斷屑槽刀具的切削溫度

3.4 工件塑性應(yīng)變分析

在ABAQUS切削仿真中，塑性應(yīng)變的數(shù)值越大，形成切屑的鋸齒化程度越高[14]。隨著切削的進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，由于鈦合金材料自身的散熱能力較差，所以切削熱在刀具和工件間不能及時(shí)排散，在加工過(guò)程中容易發(fā)生剪切現(xiàn)象，從而形成鋸齒狀切屑。隨著鋸齒化程度的加深，切削過(guò)程變得不穩(wěn)定，刀具的磨損量增加，工件表面質(zhì)量降低。圖6為不同槽背的刀具切削工件的塑性應(yīng)變，可以看出X型槽背刀具切削工件的整體塑性應(yīng)變最大，鋸齒化程度最高；Z型槽背刀具的整體塑性應(yīng)變最低，鋸齒化程度最小。因此，使用Z型槽背斷屑槽刀具進(jìn)行切削加工可以減輕切屑的鋸齒化程度，增加刀具的使用壽命，提高工件的表面質(zhì)量。

(a)X型

3.5 工件表面殘余應(yīng)力分析

工件表面的殘余應(yīng)力主要由機(jī)械應(yīng)變、熱應(yīng)力和相變?nèi)齻€(gè)因素所引起，是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)工件受到外力、溫度等因素的作用時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)和這些因素相互作用，引起工件局部發(fā)生塑性應(yīng)變，從而影響已加工工件的表面質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)影響工件結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度以及導(dǎo)致工件開裂和斷裂，因此殘余應(yīng)力越小越好。

圖7為工件表面殘余應(yīng)力分布曲線。分析切削完成時(shí)工件已加工表面的殘余應(yīng)力可得，Z型槽背斷屑槽刀具切削形成的工件表面平均殘余應(yīng)力最小，相較于X型和XZ型刀具，其切削過(guò)程更加平穩(wěn)，所形成的工件表面殘余應(yīng)力更小。這是因?yàn)殡S著切削的進(jìn)行，Z型槽背斷屑槽刀具形成的切屑卷曲程度更大，會(huì)帶走大量切削熱，殘留在工件表面的切削熱較少，熱應(yīng)力所引起工件表面殘余應(yīng)力較小，所以Z型槽背斷屑槽刀具切削所引起工件表面的殘余應(yīng)力也較小。

圖7 工件表面殘余應(yīng)力分布曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真后的刀具參數(shù)是否具有實(shí)際意義，選取車削工件材料為Ti6Al4V鈦合金棒料，再選取三種槽型刀片進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真。

采用CM614OA臥式車床和YDCB-Ⅲ25壓電石英測(cè)力儀。切削過(guò)程中，通過(guò)測(cè)力儀和紅外熱像儀采集信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，分析后得到平均切削力和切削熱，再通過(guò)對(duì)切削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真的主切削力和切削熱進(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)法研究槽背的幾何形狀對(duì)主切削力和切削熱的影響，模擬仿真所采用的切削條件與車削實(shí)驗(yàn)完全相同。車削實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集裝置分別見圖8和圖9。

圖8 車削實(shí)驗(yàn)

圖9 數(shù)據(jù)采集裝置

根據(jù)表2和表3中車削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真的切削力和切削熱結(jié)果對(duì)比可知，主切削力和切削熱的仿真值均比實(shí)驗(yàn)值偏大，這是因?yàn)榉抡嬷锈伜辖鸬腏ohnson-Cook損傷參數(shù)中的破壞位移比實(shí)際鈦合金棒料參數(shù)偏大，導(dǎo)致切削力和刀尖溫度的仿真值偏大。通過(guò)比較可得，誤差控制在12%以內(nèi)，因此仿真結(jié)果具有可靠性。

表2 車削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真切削力結(jié)果對(duì)比

表3 車削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真切削熱結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行了切削仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的范圍內(nèi)得到以下結(jié)論。

(1)斷屑槽槽背的幾何形狀對(duì)切削力和切削溫度的影響不大。

(2)新設(shè)計(jì)的柱面型槽背斷屑槽刀具在切削Ti6Al4V鈦合金時(shí)，表現(xiàn)出良好的切削性能，切屑卷曲程度更大，半徑更小，更容易折斷。

(3)柱面型槽背斷屑槽刀具在切削仿真中引起的塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力較低，鋸齒化程度較小，對(duì)工件的表面質(zhì)量非常有利，在保證切削性能和穩(wěn)定性的情況下，切削加工應(yīng)選擇柱面型槽背斷屑槽刀具。

(4)設(shè)計(jì)新的槽背可以獲得更好的斷屑性能，為設(shè)計(jì)和制造新型刀具提供理論依據(jù)，值得深入研究和探索。