杭華

（201712 上海市 柏宜照明（上海）股份有限公司）

0 引言

鈦合金切削過(guò)程中，切削層的材料會(huì)由于剪切滑移而變形，在形成切屑流出的過(guò)程中又會(huì)受到前刀面的擠壓和摩擦，并變形做功轉(zhuǎn)化為熱量，當(dāng)擠壓和溫度增強(qiáng)到一定程度會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)現(xiàn)象。目前，針對(duì)這一情況，文獻(xiàn)[1]運(yùn)用有限元軟件建立了鈦合金熱應(yīng)力耦合二維超聲橢圓振動(dòng)切削模型，進(jìn)行超聲振動(dòng)穩(wěn)態(tài)切削的有限元仿真，得到切屑形態(tài)和切削力、切削溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)切削的切屑變形系數(shù)、切削力變低,切削溫度略升高，表明超聲振動(dòng)切削可以改善切削條件，有利于鈦合金高的精密加工。一般認(rèn)為，斷續(xù)切削是一種有效降低切削溫度和改善表面質(zhì)量的方法，作為典型的斷續(xù)切削方法，超聲振動(dòng)切削可以取得顯著的加工效果[2]。文獻(xiàn)[3]針對(duì)鈦合金加工中存在的切削力大、切削溫度高等問(wèn)題，研究鈦合金超聲振動(dòng)加工工藝特性。結(jié)果表明，鈦合金超聲振動(dòng)加工可以降低平均軸向力約20%，降低平均扭矩約40%，降低平均切削溫度50%以上，鈦合金超聲加工質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加工。鈦合金超聲縱扭復(fù)合振動(dòng)鉆削相比超聲一維縱振鉆削可以進(jìn)一步降低鉆削軸向力、扭矩和切削溫度,體現(xiàn)出更好的鉆削工藝特性。文獻(xiàn)[4]對(duì)Ti6Al4V 進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削，結(jié)果也證明超聲振動(dòng)可以降低進(jìn)給力；文獻(xiàn)[5]應(yīng)用有限元建模技術(shù)研究Ti6Al4V 加工中硬質(zhì)合金刀具的溫度變化規(guī)律，提供了在各種切削條件下模擬和測(cè)量的Ti6Al4V 鉆孔溫度并進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)鈦合金切削加工優(yōu)化工藝進(jìn)行了有益的探索；文獻(xiàn)[6]研究超聲振動(dòng)切削機(jī)理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)切削的應(yīng)力和溫度遠(yuǎn)小于常規(guī)切削。

在鈦合金加工過(guò)程中，有一些切屑和金屬黏結(jié)會(huì)聚集到前刀面上，形成硬度很高的楔型塊即積屑瘤，積屑瘤的形成機(jī)理很復(fù)雜。有鑒于此，對(duì)鈦合金的切削方式進(jìn)行研究，探討表面形成機(jī)理與積屑瘤抑制方法研究，具有理論和應(yīng)用價(jià)值。

1 超聲橢圓振動(dòng)切削模型

Johnson-Cook[7]材料本構(gòu)模型不僅可以反映金屬在發(fā)生較大應(yīng)變率變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也可以分析材料的準(zhǔn)靜態(tài)變形情況，其表達(dá)式如下：

式中：σ——等效應(yīng)力；A——金屬材料在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度；B——金屬材料的硬度模量；n，c，m——材料的應(yīng)變硬化系數(shù)、應(yīng)變率敏感系數(shù)、熱軟化系數(shù)；T，Tr，Tm——工件實(shí)際變形溫度、參考熱力學(xué)溫度、熔點(diǎn)熱力學(xué)溫度；材料的應(yīng)變、應(yīng)變率、參考應(yīng)變率。

鈦合金材料參數(shù)見(jiàn)表1[7]。鈦合金Johnson-Cook 材料本構(gòu)模型的具體參數(shù)見(jiàn)表2[7]。

表1 Ti-6Al-4V 物理參數(shù)Tab.1 Ti-6Al-4V parameters

表2 鈦合金Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)Tab.2 Ti-6Al-4V Johnson-Cook constitutive model parameters

鈦合金塑性降低化學(xué)親和性強(qiáng)，易與刀具黏結(jié)和高硬度、高強(qiáng)度及導(dǎo)熱性差的切削加工特點(diǎn)，選用TG8 硬質(zhì)合金刀具，其物理參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 YG8 物理參數(shù)Tab.3 YG8 parameters

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)裝置由CA6140 機(jī)床、鈦合金棒料和刀具及其夾具組成；測(cè)力系統(tǒng)由壓電三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀、三向力高精度線性放大器和計(jì)算機(jī)測(cè)力儀軟件組成。測(cè)力系統(tǒng)的工作原理是由測(cè)力儀獲得切削力的模擬信號(hào)，再經(jīng)由放大器放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)測(cè)力儀軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并分析。采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)研究切削加工過(guò)程中切削用量對(duì)切削力的影響。

3 積屑瘤的形成規(guī)律研究

圖1 為刀具加工過(guò)程中的仿真云圖。鈦合金切削過(guò)程中，切削層的材料會(huì)由于剪切滑移而變形，在形成切屑流出的過(guò)程中又會(huì)受到前刀面的擠壓和摩擦，并變形做功轉(zhuǎn)化為熱量，當(dāng)擠壓和溫度增強(qiáng)到一定程度，會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)現(xiàn)象。有一些切屑和金屬黏結(jié)會(huì)聚集到前刀面上，形成硬度很高的楔型塊即積屑瘤。分析圖1（a），積屑瘤形成于前刀面處且呈三角狀，覆蓋刀具刃口代替切削刃和前刀面進(jìn)行切削，減少了刀具磨損，積屑瘤大小隨著切削過(guò)程的進(jìn)行而產(chǎn)生變化。圖1（b）中，第2 變形區(qū)和第3 變形區(qū)的溫度最高，這是因?yàn)榍暗睹婧颓行奸g的摩擦以及后刀面與已加工表面之間的摩擦產(chǎn)生大量熱量，引起這兩個(gè)區(qū)域溫度的升高。圖1（c）為仿真應(yīng)力云圖。因積屑瘤存在，第1 變形區(qū)的應(yīng)力集中主要存在于切屑底部至積屑瘤前的一段區(qū)域。沒(méi)有積屑瘤的情況下，第1 變形區(qū)應(yīng)力集中存在于切屑底部至刀尖前的一段區(qū)域，這是因?yàn)榉e屑瘤代替刀具進(jìn)行切削，沒(méi)有受到刀具的擠壓。圖1（d）為切削過(guò)程中應(yīng)變仿真云圖，切屑與前刀面接觸的地方的應(yīng)變值最高，說(shuō)明刀屑間的摩擦及擠壓尤為嚴(yán)重。

圖1 普通切削仿真云圖Fig.1 Distributions of traditional cutting simulation

由于積屑瘤存在于刀具的前刀面處，呈三角形，代替刀具進(jìn)行切削，增大刀具實(shí)際工作前角，分析切削幾何角度，前角增大會(huì)減小切屑變形，使切削力減小。積屑瘤不斷生長(zhǎng)、破碎和脫落，會(huì)剝離前刀面上的刀具材料，加劇刀具磨損。如圖2 所示，不同速度下鈦合金切削時(shí)積屑瘤的形成情況，積屑瘤增長(zhǎng)階段，隨著速度的升高積屑瘤逐漸變大。積屑瘤并不會(huì)隨速度的增加而無(wú)限制地增大，當(dāng)積屑瘤增大到一個(gè)極限值時(shí)會(huì)隨著速度的增加而逐漸減小。

圖2 不同速度條件下積屑瘤情況Fig.2 Formation of built-up edge under speed

4 結(jié)論

本文建立了鈦合金切削的仿真模型，分析不同切削速度下積屑瘤的形成情況、切削速度和背吃刀量對(duì)切削力和切削溫度的影響以及鈦合金切削時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。結(jié)果表明，鈦合金切削過(guò)程中，在積屑瘤增長(zhǎng)階段，隨著速度的升高積屑瘤逐漸變大。積屑瘤并不會(huì)隨速度的增加而無(wú)限制地增大，當(dāng)積屑瘤增大到一個(gè)極限值時(shí)會(huì)隨著速度的增加而逐漸消退。