趙慶軍，李海峽，賈天明，彭俊杰，唐輝陽，杜明聰，2

1森泰英格(成都)數(shù)控刀具股份有限公司；2燕山大學(xué)機械工程學(xué)院

1 引言

Ti6Al4V鈦合金是目前應(yīng)用較為廣泛的高溫鈦合金，同時也是飛機發(fā)動機部分零部件理想的制造材料。由于其導(dǎo)熱性低和化學(xué)活性高，導(dǎo)致切削過程中溫度高刀具磨損嚴重，屬于難加工材料，加工過程中需要耗費大量切削液，容易對環(huán)境造成嚴重污染[1]。

干式切削技術(shù)是指在切削過程中不使用切削液，消除了切削液帶來的負面影響。由于缺少切削液的潤滑、冷卻和排屑作用，使得切削力和切削熱急劇增加，刀具壽命大幅下降，因此對刀具、機床和切削參數(shù)的選擇提出了更高的要求。

在鈦合金的干式切削過程中，大多數(shù)情況下都會產(chǎn)生鋸齒狀切屑并且伴隨大量發(fā)熱。切削參數(shù)和刀片形狀決定了工件材料的流動方式，進而影響切屑的形成。刀具在切削過程中的受力和受熱主要集中在刃口處，在精密加工中尤為明顯[2]。刀具刃口的形狀對切削過程中的力-熱特性具有重要影響[3-5]。在刀片刃口處加工負倒棱是一種常見的刃口處理形式，增加負倒棱可以增大刃口楔角和提高刀具強度，從而提高切削過程的穩(wěn)定性，優(yōu)化刀具散熱能力，以獲得更好的表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命[6]。本文基于Deform 2D軟件進行仿真試驗，探究了刀具負倒棱參數(shù)對Ti6Al4V鈦合金干式切削的影響。

2 干式車削Ti6Al4V的有限元建模

由于鈦合金鋸齒狀切屑形成時間很短，試驗過程難以觀察到材料的變形細節(jié)，同時也難以獲取應(yīng)變、溫度等瞬時參數(shù)。因此，可以借助有限元數(shù)值模擬方法研究刀具負倒棱對鈦合金切削過程的影響規(guī)律。

2.1 建立幾何模型

基于Deform 2D軟件進行車削加工仿真。由于三維切削過程較為復(fù)雜，計算時網(wǎng)格數(shù)量太多，不便研究鈦合金金屬流動情況，為簡化刃口切削模型，采用正交切削模型進行仿真試驗。模型如圖1所示，幾何模型由刀具和工件組成。

圖1 正交切削的有限元模型

工件尺寸為6mm×0.7mm，切削深度為0.5mm，進給量為0.1mm。刀具前角為5°，后角為10°。

2.2 建立本構(gòu)模型

在金屬變形過程中，涉及第一、第二變形區(qū)熱-力耦合問題，材料各層之前應(yīng)力、應(yīng)變和溫度有很大差異。為準確描述鈦合金切削過程中的彈塑性變化規(guī)律，反映切削過程中切屑的形成和發(fā)熱情況，采用Johnson-Cook流動應(yīng)力模型作為工件材料的本構(gòu)模型。Ti6Al4V的流動應(yīng)力模型可表示為

(1)

表1為工件材料的物理參數(shù)[7]。刀具設(shè)為剛體，材料選擇軟件中自帶的WC材料。

表1 Ti6Al4V的本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 切屑分離準則

由于鈦合金切削過程中會產(chǎn)生鋸齒狀切屑，所以材料分離準則的選擇非常關(guān)鍵。采用Cockcroft & Latham 斷裂準則，其表達式為

(2)

2.4 摩擦模型

在切削時，刀具與工件之間會發(fā)生摩擦。對于前刀面與切屑之間的接觸，Zorev N.N.[9]認為存在粘結(jié)區(qū)和滑動區(qū)，并分析了作用在前刀面上的法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力沿前刀面的分布規(guī)律。在粘結(jié)區(qū)，剪應(yīng)力和材料的屈服應(yīng)力相等；在滑動區(qū)，摩擦系數(shù)μ為常數(shù)，滿足庫倫摩擦定律[10]。在切削仿真過程中，常見的摩擦模型為

(3)

式中，τ為摩擦應(yīng)力；τcrit為臨界剪切屈服強度；σ為接觸面上的法向應(yīng)力。

3 試驗方案設(shè)計與仿真結(jié)果

在刀具負倒棱工藝中有兩個重要的參數(shù)，即倒棱寬度w和倒棱角度α，如圖2所示。

圖2 刀具負倒棱

以倒棱寬度和倒棱角度為變量的單因素仿真方案見表2。由于倒棱寬度過寬會改變刀具前角，倒棱角度過大會產(chǎn)生較大負前角，故選取0.04～0.16mm的倒棱寬度和5°～20°的倒棱角度作為試驗范圍。

表2 單因素仿真方案

借助Deform 2D軟件進行切削仿真，切削長度為3mm，切削速度為60m/min，室溫20℃。試驗計算出切削振動頻率和主切削力振幅，并獲得切削熱和前刀面溫度。試驗結(jié)果見表3。

表3 仿真試驗結(jié)果

4 仿真結(jié)果分析

切屑成型的過程是負倒棱通過改變刀具與工件材料作用的方式以及工件材料的流動方向，進而改變切削力、振動頻率、切削熱和刀具壽命等切削性能參數(shù)。通過對倒棱參數(shù)進行研究，從而分析切削參數(shù)對切削振動和切削熱影響的規(guī)律。硬質(zhì)合金刀片切削鈦合金時的主要磨損形式為粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴散磨損，氧化磨損主要發(fā)生在前、后刀面的邊緣區(qū)域。

4.1 負倒棱對切削力的影響

由于鈦合金在大部分切削速度下會產(chǎn)生鋸齒狀切屑，其在形成過程中會產(chǎn)生切削力的瞬間波動，使加工產(chǎn)生噪音和振動，降低加工表面質(zhì)量和刀具壽命。如圖3所示，主切削力隨著切屑的產(chǎn)生出現(xiàn)了周期性的波動[11]。

圖3 主切削力變化情況

圖4是切屑產(chǎn)生過程中的等效應(yīng)變分布?？芍?，工件受刀具擠壓作用逐漸隆起，隨著變形的增大，切削主變形區(qū)應(yīng)力集中并產(chǎn)生剪切滑移，形成鋸齒狀切屑并產(chǎn)生切削力波動。

圖4 等效應(yīng)變分布

對表3的試驗結(jié)果取均值，得到倒棱寬度對切削振動的影響規(guī)律(見圖5)和倒棱角度對切削振動的影響規(guī)律(見圖6)。

(a)倒棱寬度對主切削力振動頻率的影響

(a)倒棱角度對主切削力振動頻率的影響

由圖5a可知，隨著倒棱寬度的增加，切削過程中的頻率先上升再下降，在倒棱寬度為0.08mm時達到最大，此時鋸齒狀切屑的鋸齒最小，切屑最平滑；由圖5b可知，隨著倒棱寬度的增加，主切削力的振幅總體上逐漸增加，在0.04～0.08mm時振幅保持不變，大于0.08mm后開始明顯增加，此時切削力的波動越來越大，主切削力也越來越大。倒棱寬度的增加，增大了倒棱和切屑接觸面積，使得刀-屑間的摩擦作用加劇，第一變形區(qū)的寬度增加導(dǎo)致切削力明顯增加，主切削力振幅也隨之增加。

由圖6a可知，隨著倒棱角度的逐漸增加，切削過程的振動頻率越來越大，在5°～10°時變化明顯，從10°開始，增加幅度減緩，趨于平穩(wěn)；由圖6b可知，隨著倒棱角度的增加，主切削力振幅總體呈線性增加。這是由于隨著倒棱角度的增加，切削過程中的負前角增大，切削過程中的剪切角變小，刀具對工件的擠壓作用更加明顯，導(dǎo)致切削力增加，主切削力振幅也隨之增加。

4.2 負倒棱對切削溫度的影響

由圖7a可知，隨著倒梭寬度的增加，切削溫度逐漸上升，在0.04～0.08mm時溫度上升顯著。倒棱寬度對前刀面最高溫度的影響并不顯著，由圖7b可見，倒棱寬度的增加提高了切削過程的發(fā)熱量，同時也提高了刀片的散熱能力。這是由于隨著負倒棱寬度的增加，前刀面和切屑的接觸面積增大，摩擦作用加劇，導(dǎo)致切削熱明顯增加，但是由于散熱面積更大，前刀面的最高溫度沒有明顯增加，因此可以在提高刃口強度的前提下保證刀具壽命。

(a)倒棱寬度對切削熱的影響

由圖8可知，切削熱和前刀面最高溫度隨著倒棱角度的增加而增加，前刀面最高溫度的增加幅度更為平緩。這是由于負倒棱增大了負前角，工件變形程度更大，導(dǎo)致發(fā)熱更多。因此，倒梭角度的增加提高了切削過程的發(fā)熱量，增加了刀片的散熱能力。

(a)倒棱角度對切削熱的影響

5 結(jié)語

刀片的負倒棱結(jié)構(gòu)對鈦合金干式切削過程有顯著的影響。切削過程的振動頻率隨倒棱寬度的增加先增加后減小，主切削力振幅隨倒棱寬度的增加而增加，倒棱寬度大于0.08mm后，主切削力增加明顯。

振動頻率和主切削力隨倒棱角度的增加而增加。切削溫度和前刀面最高溫度隨著倒棱寬度和倒棱角度的增加而增加，但刀尖處散熱情況變好。當?shù)估鈱挾葹?.08mm，倒棱角度15°時，可以保證足夠的的刃口強度、較小的鋸齒尺寸和較小的主切削力振幅，既能提高加工質(zhì)量，又能延長刀具壽命。