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        基于ABAQUS 下鈦合金切削仿真技術(shù)分析

        2024-01-04 11:54:32賈祎杰
        機械管理開發(fā) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:鈦合金刀具工件

        賈祎杰

        (沈陽理工大學(xué), 遼寧 沈陽 110159)

        0 引言

        本次切削仿真以TC4 鈦合金材料為例,這種鈦合金材料具有良好的機械性能和物理性能,但是鈦合金卻具有獨特的材料屬性,例如在該材料的切削過程中切削溫度和切削摩擦力非常復(fù)雜,同時鈦合金切削過程中也涉及到了切削力、切削溫度和切削應(yīng)力等許多的問題,導(dǎo)致了其在切削加工中被歸類于難加工材料,并且切削過程的溫度和摩擦條件非常復(fù)雜,切削過程是一個高度非線性的熱- 力耦合過程[1]。針對這難加工材料采用ABAQUS 進(jìn)行切削仿真分析研究。通過鈦合金切削仿真分析得出相應(yīng)的工藝優(yōu)化方案,為鈦合金加工工藝提供良好的加工方案。

        ABAQUS/Explicit 求解器采用的有限元方法為顯示動力有限元方法,主要被應(yīng)用于沖擊和爆炸產(chǎn)生的短暫和瞬時的動態(tài)事件,對加工成形過程的這類高度非線性問題非常有效[2]。因此,本材料使用ABAQUS進(jìn)行有限元仿真實驗。祁志旭和陳興娟在鈦合金切削加工技術(shù)研究進(jìn)展中將鈦合金加工進(jìn)行相應(yīng)的歸類和總結(jié)[3]。宋緒浩在鈦合金切削加工表面質(zhì)量調(diào)控研究中提出了鈦合金切削表面質(zhì)量控制的具體方法[4]。

        1 鈦合金切削有限元模型

        切削有限元仿真模型分為切削材料的本構(gòu)模型和切削材料的損傷模型,其中采用Johnson-Cook 模型仿真對切削仿真中的切削材料的本構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)建與分析,切削材料的損傷模型采用Johnson-Cook失效準(zhǔn)則模型進(jìn)行損傷模型構(gòu)建[5-6]。切削模型中應(yīng)力和應(yīng)變是需要考慮的重點,在求解的過程中,應(yīng)變率和溫度之間的影響也是十分重要且需要著重考慮的。通過模型建立分析可得Johnson-Cook 模型切削材料的本構(gòu)模型公式如下:

        切削仿真中切削材料的損傷按照J(rèn)ohnson-Cook失效準(zhǔn)則求解,其中失效準(zhǔn)則是一個完全依賴與塑性應(yīng)變的經(jīng)驗?zāi)P?,?dāng)累計損傷系數(shù)ω 達(dá)到1 產(chǎn)生失效。

        其中累計損傷系數(shù)可由方程求得:

        式中:d1~d5為分離參數(shù);σp為主應(yīng)力平均應(yīng)力;σe為Mises 應(yīng)力。

        切削的過程中主要考慮切削材料的本構(gòu)模型和切削材料的損傷模型,通過兩大模型可以確定鈦合金切削的模型,按照模型進(jìn)行鈦合金切削仿真分析即可。

        2 鈦合金切削仿真分析

        鈦合金切削仿真中采用TC4 作為本次切削時工件的材料,該材料的密度為4.4 kg/m3,彈性模量為115 GPa,其中工件材料的具體材料參數(shù)如表1 所示。

        表1 TC4 材料參數(shù)

        鈦合金切削的過程中刀具采用立銑刀,其中在切削仿真的時候同時對工件和刀具進(jìn)行網(wǎng)格劃分,工件網(wǎng)格劃分采用六面體,網(wǎng)格劃分的節(jié)點為41 877,單元數(shù)量為36 800,刀具網(wǎng)格劃分采用四面體,網(wǎng)格劃分節(jié)點為3 214,單元數(shù)量為14 564。其中網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

        圖1 刀具與工件網(wǎng)格劃分圖

        鈦合金TC4 工件大小為40 mm×40 mm×5 mm,切削的過程中主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,進(jìn)給量為8 000 mm/s,背吃刀量為2 mm。切削求解主要分析切削仿真的等效應(yīng)力變化及切削溫度的變化。求解處理后得到切削最大應(yīng)力為2 818 MPa,最小等效應(yīng)力為1.451 MPa,仿真分析可得最大切削等效應(yīng)力為刀具與工件剛接觸的位置,刀具進(jìn)給切點的方向最大,其余從圓柱刀具兩端逐漸減少,其中切削等效應(yīng)力圖如圖2 所示,切削等效應(yīng)力變化曲線如圖3 所示。

        圖2 切削等效應(yīng)力(MPa)變化

        圖3 切削等效應(yīng)力變化曲線圖

        鈦合金TC4 切削仿真中溫度的變化也關(guān)鍵,在上述切削三要素中切削溫度最大為955.4 ℃,最小切削溫度為29.95 ℃。其中溫度變化曲線從平穩(wěn)、急劇和平穩(wěn)三個階段變化,中間切削溫度產(chǎn)生跳躍式變化,切削的最后穩(wěn)定在一個平穩(wěn)的溫度節(jié)點,超越溫度節(jié)點后切削產(chǎn)生破壞失效。其中切削溫度變化圖如圖4 所示,切削溫度變化曲線圖如圖5 所示。

        圖4 切削溫度(℃)變化

        圖5 切削溫度變化曲線

        3 鈦合金切削仿真的意義

        鈦合金切削仿真的意義在于通過軟件看見鈦合金的切削狀態(tài),根據(jù)改變切削三要素求解出不同狀態(tài)的切削模型,每一次改變切削三要素都可以得到相應(yīng)的力與溫度模型,通過仿真可以判斷出刀具的變形量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和背吃刀量的改變只有通過仿真能夠?qū)崿F(xiàn),調(diào)整出最優(yōu)的參數(shù)應(yīng)用于指導(dǎo)實踐加工生產(chǎn)。所以使用有限元方法可以在加工設(shè)計以及對鈦合金產(chǎn)品進(jìn)行的生產(chǎn)之中使得計算分析變得更為簡便高效,同時也可以顯著降低切削實驗次數(shù)以及工作難度,以此來實現(xiàn)降低鈦合金切削的生產(chǎn)成本的目的。同時,使用有限元方法也可以對鈦合金切削刀具角度進(jìn)行針對性改善,同時對鈦合金刀具的設(shè)計及材料的選擇等方面也都具有良好的實踐意義。

        4 結(jié)語

        鈦合金TC4 切削仿真過程中首先建立材料去除模型,然后對工件和刀具進(jìn)行材料選擇及網(wǎng)格劃分,最后進(jìn)行切削等效應(yīng)力和切削溫度進(jìn)行求解,根據(jù)仿真求解的結(jié)果來看,切削過程中切入時與工件接觸的等效應(yīng)力較大,沿著切削點兩側(cè)逐漸減少,切削溫度的變化從切削接觸逐漸變大,切削過程達(dá)到一個程度后切削溫度又逐漸傾向于穩(wěn)定溫度。最后鈦合金單一參數(shù)的切削仿真可以為結(jié)合實際切削多因素仿真提供實踐指導(dǎo),并總結(jié)鈦合金TC4 的切削仿真理論庫。

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