孔林雁，吳建民

上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院

1 引言

鎳基高溫合金是航空航天生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的材料之一[1]，GH4169鎳基高溫合金是一種沉淀強(qiáng)化高溫合金，在高溫下強(qiáng)度較高，并且具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、抗氧化性以及耐熱腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的熱端部件[2]。由于鎳基高溫合金高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)，加工過(guò)程中容易出現(xiàn)切削力大以及難排屑等問(wèn)題，所以研究其加工特性對(duì)于航空航天制造業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

很多學(xué)者對(duì)鎳基高溫合金的切削性能進(jìn)行了分析研究。Serafino Caruso等[3]基于有限元思想建立了鎳基高溫合金正交切削有限元模型，研究分析了加工過(guò)程中工件表面微觀組織的變化情況，并通過(guò)模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比較，改變有限元程序中的算法方程，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校準(zhǔn)，得到較為準(zhǔn)確的有限元仿真模型。楊輝等[4]使用有限元方法建立三維仿真模型，對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行切削加工仿真研究，基于單變量切削仿真試驗(yàn)分析了在不同切削參數(shù)下切削力和切削溫度的變化情況，得到了最適宜該合金切削加工的熱力學(xué)條件。Parida A.K.等[5]基于Deform軟件建立二維直角車削有限元模型，對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行仿真切削試驗(yàn)，研究分析了不同大小的刀尖圓弧半徑對(duì)切削力、切削溫度、應(yīng)力以及切屑形態(tài)的影響規(guī)律，并通過(guò)車削試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的真實(shí)準(zhǔn)確性。管小燕等[6]采用有限元技術(shù)建立二維熱-力耦合直角切削模型，對(duì)GH4169鎳基高溫合金進(jìn)行切削仿真試驗(yàn)，運(yùn)用絕熱剪切理論研究分析了鋸齒狀切屑的形成機(jī)理，同時(shí)還分析了不同切削參數(shù)下鋸齒狀切屑的變形規(guī)律。王博[7]使用PCBN刀具對(duì)GH4169鎳基高溫合金進(jìn)行直角自由切削試驗(yàn)，探究切削用量和PCBN負(fù)倒棱角度等參數(shù)對(duì)切削力及表面粗糙度的影響規(guī)律，并進(jìn)行了二維正交仿真車削試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)模擬了切削過(guò)程微觀塑性變形過(guò)程。宋永勝[8]使用Deform有限元軟件建立二維直角切削鎳基高溫合金的仿真模型，研究分析了加工參數(shù)及后刀面磨損量VB值對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，使用PCBN刀具對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行精密切削試驗(yàn)，通過(guò)切削力的檢測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了有限元仿真模型的有效性。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，使用三維斜角切削建模對(duì)鎳基高溫合金的研究較少，因此本文就鎳基高溫合金的切削力大以及難排屑等加工問(wèn)題，建立三維斜角車削仿真模型，采用斜角切削的加工方式，研究分析了不同加工參數(shù)下切屑的形成、流屑角以及三向切削力的變化情況，為切削參數(shù)優(yōu)化和刀具合理選擇提供理論依據(jù)。

2 建立仿真模型

2.1 建立三維斜角切削模型

在切削加工中，根據(jù)車刀切削刃與切削速度方向是否垂直，切削方式可分為正交切削和斜角切削。實(shí)際上，采用刃傾角不等于零的刀具進(jìn)行切削加工也屬于斜角切削的加工方式[9]。斜角切削優(yōu)點(diǎn)為刃口鋒利，可以改變切屑流出方向，引起流屑平面的改變，使流屑方向上的刀具角度發(fā)生變化。不論刃傾角是正還是負(fù)，都可使流屑方向工作前角增大。前角增大可以有效降低主切削力，還可以使切屑容易排出工件，不劃傷已加工零件表面，從而提高零件表面加工質(zhì)量。對(duì)于難加工的鎳基高溫合金，采用該切削加工方式可以解決切削加工過(guò)程中存在的排屑困難和切屑力大等問(wèn)題[10]。

車削變形高溫合金時(shí)，前角通常選用5°～10°，精加工鎳基高溫合金的后角一般為10°～12°[11]。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)為精加工變形GH4169高溫合金的單變量試驗(yàn)，故可確定刀具的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為前角8°，后角10°，刃傾角選取0°，6°，10°，20°。

如圖1所示，假設(shè)忽略刀具副切削刃的參數(shù)，且刀具鋒利，其中刀具刃傾角大小由刀具切削刃斜角角度表示，建立刀具模型。如圖2所示，將工件模型設(shè)計(jì)為環(huán)狀體，使之符合實(shí)際加工情況，忽略刀具磨損，將刀具設(shè)為剛體，不參與有限元計(jì)算，工件網(wǎng)格設(shè)為三維八節(jié)點(diǎn)熱力耦合單元，為了增大仿真精度，對(duì)工件切削區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，工件底部固定，刀具以一定的轉(zhuǎn)速繞薄壁環(huán)中心旋轉(zhuǎn)，用來(lái)模擬工件和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 刀具角度設(shè)置

圖2 工件與刀具裝配模型

2.2 確定材料本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則

GH4169鎳基高溫合金是一種難加工材料，在實(shí)際切削加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)切削力大和排屑困難等問(wèn)題[12]。使用有限元技術(shù)進(jìn)行鎳基高溫合金的切削仿真研究，需要確定合理的材料本構(gòu)模型以及失效準(zhǔn)則，才能準(zhǔn)確描述材料的去除過(guò)程。J-C本構(gòu)模型是以經(jīng)驗(yàn)為主的本構(gòu)模型，主要應(yīng)用于大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫變形的材料，特別適用模擬高應(yīng)變率的金屬材料[13]。考慮多方面因素，選擇J-C本構(gòu)模型，該模型將影響流動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)以及溫度效應(yīng)，具體形式為

(1)

表1為工件和刀具的材料參數(shù)，表2為GH4169鎳基高溫合金的J-C本構(gòu)方程參數(shù)，表3為其損傷參數(shù)。

表1 工件和刀具的材料參數(shù) [14]

表2 GH4169的J-C本構(gòu)方程參數(shù)[15]

表3 GH4169的損傷參數(shù)

金屬切削加工是去除材料的過(guò)程，當(dāng)?shù)毒邔?duì)材料切削層區(qū)域進(jìn)行切削時(shí)，該區(qū)域受到擠壓會(huì)發(fā)生彈塑性變形，隨著刀具的進(jìn)一步進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，切削層失效斷裂成為切屑[16]。在有限元仿真過(guò)程中，刀具與工件擠壓接觸時(shí)工件接觸節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生彈塑性變形，隨著刀具的進(jìn)給，節(jié)點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變逐漸達(dá)到所設(shè)置的材料等效塑性變形值，此時(shí)，ABAQUS求解器會(huì)判定該節(jié)點(diǎn)處工件材料失效，相應(yīng)的網(wǎng)格單元發(fā)生斷裂而被刪除，從而實(shí)現(xiàn)切屑與工件分離，達(dá)到去除材料的效果[17]。

確定J-C損傷演化模型并模擬出切屑與工件分離的效果。該準(zhǔn)則以節(jié)點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變值為依據(jù)，當(dāng)失效參數(shù)值D=1時(shí)，工件材料網(wǎng)格單元失效，參數(shù)D的數(shù)學(xué)表達(dá)式[15]為

(2)

(3)

σ*=p/σeq

(4)

(5)

T*=(T-T0)/(Tmelt-T0)

(6)

3 有限元仿真與結(jié)果分析

3.1 切屑的形成過(guò)程

如圖3所示，在切削速度為80m/min，切削深度為0.2mm，進(jìn)給量為0.25mm/r條件下，模擬鎳基高溫合金的有限元切削過(guò)程，工件的切削變形和切屑形成情況見(jiàn)圖3。

圖3 切屑的形成過(guò)程

根據(jù)金屬切削原理可知，在金屬切削的整個(gè)過(guò)程中，刀尖處的工件材料可以分為兩部分，第一部分是平行于前刀面塑性流動(dòng)，第二部分是在后刀面的下方塑性流動(dòng)。在刀尖周圍流動(dòng)的工件材料形成切屑，明顯可以看到整個(gè)工件切削變形的特點(diǎn)，工件上第一變形區(qū)處于起始滑移面和終滑移面之間，也是在整個(gè)工件上應(yīng)力集中的區(qū)域。當(dāng)起始滑移面上的切應(yīng)力達(dá)到工件材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬材料組織中的晶格會(huì)在晶面上進(jìn)行滑移，滑移方向與切應(yīng)力方向一致，從而使切削層區(qū)域的工件材料移動(dòng)到終滑移面，切削層經(jīng)過(guò)終滑移面后，被刀具擠壓、切入直至分離，最終脫離工件成為切屑。從有限元仿真的角度分析，仿真結(jié)果中工件劃分為多個(gè)網(wǎng)格，隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，位于刀尖處的工件切削層網(wǎng)格區(qū)域局部應(yīng)變過(guò)大，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的應(yīng)變值，即滿足ABAQUS分析控制器閾值，此時(shí)，切削層區(qū)域的網(wǎng)格單元發(fā)生斷裂，隨著刀具進(jìn)給，刀具前刀面處的工件材料在刀具的擠壓作用下脫離工件形成切屑。

3.2 斜角切削條件下流屑角的變化規(guī)律

研究斜角切削狀態(tài)下切屑的流向非常重要。在切屑形成的過(guò)程中，流屑角的變化規(guī)律與切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦有著密不可分的聯(lián)系，另外切屑的流向與切屑排出工件的難易程度也有很大聯(lián)系，并且切屑的流動(dòng)方向會(huì)影響刀具切削中的實(shí)際前角，從而影響切削力的大小以及各個(gè)切削分力之間的比例，進(jìn)一步影響刀具耐用度。因此研究切屑的流向并對(duì)切屑進(jìn)行控制有利于改善操作環(huán)境，提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，是金屬切削理論研究的重要課題之一[18]。對(duì)于具有高強(qiáng)度、高韌性特點(diǎn)的鎳基高溫合金，需控制切屑有利于整個(gè)切削過(guò)程的順利進(jìn)行。切削過(guò)程中切削層脫離工件成為切屑時(shí)，切屑的兩邊將會(huì)受到不同的約束阻力，切屑一邊的切削力需要達(dá)到金屬材料的屈服強(qiáng)度，切削層才會(huì)產(chǎn)生斷裂，形成切屑邊界；另一邊將會(huì)受到與切削刃方向平行的作用力，該作用力會(huì)迫使切屑沿著刀具的前刀面偏出一定角度而流出，流屑角見(jiàn)圖4。

圖4 流屑角

影響流屑角的因素較多，因此采用四因素四水平正交試驗(yàn)分析流屑角的變化規(guī)律。設(shè)計(jì)四種刃傾角不同的刀具，刀具前角和后角均為8°，10°，而刃傾角λs分別為0°，6°，10°，20°，根據(jù)不同的切削參數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表(見(jiàn)表4)。

表4 正交試驗(yàn)的因素和水平

通過(guò)有限元切削仿真模型得到試驗(yàn)結(jié)果，四因素四水平下流屑角的變化規(guī)律見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表5正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析計(jì)算，分析流屑角的影響因素，得到流屑角極差分析結(jié)果(見(jiàn)表6)。顯然，第四列(因素D刃傾角)的極差值最大，說(shuō)明改變?nèi)袃A角的水平對(duì)流屑角的影響最大，符合以往學(xué)者的研究規(guī)律?？傮w來(lái)講，切削速度對(duì)流屑角的影響最小，進(jìn)給量相比切削深度對(duì)流屑角的影響較大，鎳基高溫合金在切削加工過(guò)程中一定要控制好切削用量，以保證零件產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

表6 流屑角極差分析結(jié)果

3.3 切削力的單因素仿真試驗(yàn)

切削力的大小是工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性的評(píng)判指標(biāo)之一，也是切削加工精度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一，該數(shù)值過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)整個(gè)工藝產(chǎn)生很大影響，所以分析切削力與切削加工參數(shù)之間的關(guān)系非常必要。設(shè)計(jì)單變量試驗(yàn)，探究切削力和刃傾角之間的關(guān)系以及切削力隨著切削速度的變化規(guī)律，其中刀具前角為8°，后角為10°，刃傾角λs分別為0°，6°，10°，20°。

根據(jù)表7中切削參數(shù)進(jìn)行切削仿真試驗(yàn)，得到仿真結(jié)果，繪制切削參數(shù)與切削力的關(guān)系曲線。圖5為不同切削速度和刀具刃傾角對(duì)三向切削力的影響規(guī)律。

表7 單因素試驗(yàn)切削參數(shù)

(a)主切削力變化曲線

圖5a中，主切削力隨著切削速度的增加而增大，當(dāng)切削速度大于100m/min時(shí)，主切削力增大速率變緩，并且有下降趨勢(shì)，切削速度一定時(shí)，主切削力隨著刃傾角的增大而減??；圖5b中，徑向力隨著切削速度的增加先下降再增大，這是由于仿真模型中工件為圓弧形，對(duì)于徑向力而言，刃傾角對(duì)其影響不大；圖5c中，切削速度一定時(shí)，軸向力在刃傾角為6°和10°時(shí)較小，在刃傾角0°～20°之間時(shí)軸向力較大。當(dāng)?shù)毒叩娜袃A角增加時(shí)，刀具的實(shí)際加工前角發(fā)生變化，所以改變?nèi)袃A角大小時(shí)，三向切削力會(huì)隨之改變。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用ABAQUS有限元軟件建立了GH4169鎳基高溫合金斜角切削過(guò)程的三維有限元模型，實(shí)現(xiàn)了斜角切削加工材料去除過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬。

(2)通過(guò)有限元仿真模型進(jìn)行四因素四水平的正交試驗(yàn)，得到各個(gè)因素在不同水平下對(duì)流屑角的影響規(guī)律，其中，刃傾角對(duì)流屑角影響最大，進(jìn)給量和切削深度的影響較大，切削速度對(duì)流屑角的影響最小。

(3)主切削力隨著切削速度的增加而增大，當(dāng)切削速度大于100m/min時(shí)，主切削力增大速率變小，并有下降的趨勢(shì)；主切削力隨著刃傾角的增大而減小，適當(dāng)改變?nèi)袃A角大小可以減小主切削力，有效改善鎳基高溫合金切削力較大的問(wèn)題。