TC4鈦合金切削溫度的仿真與試驗(yàn)研究*

劉朋和 姜增輝 王曉亮

(沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159)

鈦合金以其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)異的綜合機(jī)械性能而成為航空航天、國(guó)防軍工和醫(yī)療化工應(yīng)用比較廣泛的材料［1－2］。由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切削加工中產(chǎn)生的大量切削熱不易傳出，導(dǎo)致切削區(qū)溫度很高。實(shí)際生產(chǎn)中采用的切削速度一般較低，加工效率難以提高，生產(chǎn)成本很高，嚴(yán)重制約了鈦合金切削加工的發(fā)展［3］。因此對(duì)鈦合金切削過(guò)程中的切削溫度進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

眾多的學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量的研究工作。耿國(guó)盛等［4］對(duì)鈦合金高速銑削時(shí)的切削溫度進(jìn)行了研究，系統(tǒng)地分析了切削用量、冷卻條件及刀具磨損等因素對(duì)近α鈦合金高速銑削時(shí)切削溫度的影響。韓滿林等［5］應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了高速車(chē)削和高速銑削試驗(yàn)，分析了干切削、空氣射流及氮?dú)馍淞鳁l件下的切削溫度變化情況。劉東等［6］利用有限元軟件對(duì)鈦合金TC4切削溫度變化規(guī)律進(jìn)行了仿真，在仿真計(jì)算中將切削區(qū)的溫度分為切屑上的溫度、已加工表面的溫度和刀具上的溫度來(lái)進(jìn)行分析。張義平［7］采用了夾絲熱電偶法來(lái)測(cè)量高速銑削鈦合金時(shí)的切削溫度，得出銑削溫度在銑削速度50～200 m/min范圍內(nèi)上升較明顯，而在銑削速度200 m/min以上范圍內(nèi)變化趨勢(shì)比較緩慢的結(jié)論。

由于對(duì)切削溫度的測(cè)量還沒(méi)有一個(gè)非常成熟的方法，因此制約了對(duì)鈦合金切削工藝及刀具的研究。本文建立了正交切削仿真模型，對(duì)TC4鈦合金的切削溫度進(jìn)行了仿真，通過(guò)切削試驗(yàn)測(cè)量刀具的實(shí)際切削溫度對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并利用仿真模型來(lái)研究切削過(guò)程中刀尖處的最高溫度，為鈦合金切削工藝及刀具的研究提供支撐。

1 基于Marc的仿真模型建立

1.1 幾何模型的建立

圖1為仿真所建立的正交車(chē)削模型，工件尺寸為10 mm ×2 mm，刀具前角 γ0=6°，后角 α0=6°。網(wǎng)格劃分選擇的是四邊形單元，按照將1 mm四十等分的原則將工件整體劃分為32 000個(gè)單元，刀具模型同樣選擇四邊形單元，刀尖部分采用了局部網(wǎng)格重劃分技術(shù)將刀尖網(wǎng)格細(xì)化，共計(jì)8 000個(gè)單元。

1.2 材料特性

仿真所用TC4鈦合金是一種α+β型的高強(qiáng)度鈦合金，密度為4.5 g/cm3，其化學(xué)成分及含量如表1。

表1 TC4化學(xué)成分表

仿真模型中所選擇的刀具為YG8硬質(zhì)合金刀具。YG8主要成分:WC的含量為92%，Co的含量為8%。

1.3 本構(gòu)模型的建立

在實(shí)際切削過(guò)程中，工件材料常常在高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變率情況下發(fā)生彈塑性流動(dòng)。因此本文采用在切削加工中應(yīng)用最廣泛的流動(dòng)應(yīng)力模型——Johnson－Cook本構(gòu)模型:

式中:A、B、C、n、m為由材料自身決定的常數(shù);Tm為材料的熔點(diǎn);Tr為室溫;ε為應(yīng)變;ε0為參考應(yīng)變。Tm取1 650 ℃，Tr取20 ℃，A、B、C、n、m的值分別取為 875、793、0.01、0.386、0.71。

1.4 切削區(qū)溫度仿真

圖2為通過(guò)所建模型仿真得到的切削TC4鈦合金時(shí)切削區(qū)溫度的分布云圖。主要切削參數(shù)為:切削速度v=147 m/min、進(jìn)給量f=0.1 mm/r、切削深度ap=0.5 mm。圖3為刀屑接觸區(qū)的節(jié)點(diǎn)溫度。

分析圖2、圖3可知，在第1變形區(qū)垂直剪切方向上的溫度梯度很大，主要是由于剪切滑移速度快，熱量來(lái)不及傳出。在第2變形區(qū)，切屑底部與刀具前刀面溫度很高，主要是由于切屑與前刀面的摩擦產(chǎn)生的熱量積聚所致。在第3變形區(qū)后刀面上接近刀尖位置的溫度最高，這是由于鈦合金的彈性模量小，工件的回彈量較大，導(dǎo)致已加工表面與后刀面的摩擦面積增大，摩擦熱較多積聚且難以有效散熱，從而導(dǎo)致刀尖偏后刀面處溫度最高。

2 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)仿真模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了切削速度對(duì)刀具溫度影響的切削試驗(yàn)。

2.1 測(cè)溫方法的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備和材料主要有:CAK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，TC4鈦合金棒料，株洲鉆石切削刀具股份有限公司的YG8－31303c硬質(zhì)合金刀片、90W25－3K13型數(shù)控刀桿。

如圖4為試驗(yàn)采用的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)。主要包括:K型鎧式熱電偶和AZ8852型熱電偶溫度表。

試驗(yàn)中采用如圖5所示的刀片切槽測(cè)溫法測(cè)量刀具溫度。在刀片背面垂直于前刀面方向加工一條0.44 mm寬，3 mm深的槽，將鎧式熱電偶埋置在該槽底部，測(cè)量的熱節(jié)點(diǎn)在刀屑接觸區(qū)的正下方2 mm。

2.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)刀片切槽測(cè)溫法試驗(yàn)測(cè)得了切削深度0.3 mm，進(jìn)給量0.2 mm/r，切削速度分別為35 m/min、50 m/min、75 m/min、105 m/min 和 147 m/min 時(shí)的刀具溫度，同時(shí)仿真得到了同樣條件下刀具溫度云圖。由于刀片切槽測(cè)溫法測(cè)量的熱結(jié)點(diǎn)在刀屑接觸區(qū)的正下方2 mm，因此取刀具溫度云圖中距刀尖2 mm的橢圓形區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)溫度的平均值作為仿真溫度(如圖6)與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7分析可知，切削速度不高于105 m/min時(shí)，隨切削速度增加，仿真與試驗(yàn)所得到的刀具測(cè)量點(diǎn)處溫度均呈上升趨勢(shì)，且仿真值與測(cè)量值基本一致，其誤差小于10%。當(dāng)切削速度達(dá)到147 m/min時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的刀具溫度大幅升高，且遠(yuǎn)大于仿真所得到的溫度值，此時(shí)仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。主要原因是:低速時(shí)YG8硬質(zhì)合金刀片在測(cè)溫之前磨損較小，刀具磨損對(duì)切削溫度的影響不明顯;采用147 m/min的速度高速切削TC4鈦合金時(shí)刀片磨損極快，在測(cè)溫之前就達(dá)到甚至超過(guò)了磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)刀具與切屑、工件的接觸面積增大，切削熱大幅增加，同時(shí)刀具磨損后，刀尖已經(jīng)不在理論上的位置，刀尖到測(cè)量點(diǎn)的距離更近了，所以在刀具的熱節(jié)點(diǎn)處測(cè)得的溫度大幅增加，由于包括Marc在內(nèi)的很多仿真軟件都無(wú)法準(zhǔn)確模擬刀具磨損過(guò)程，因此在刀具產(chǎn)生較大磨損時(shí)仿真結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

圖8為由前述5種切削速度下仿真得到的刀具溫度云圖中提取出的最高溫度。刀尖上的最高溫度，隨著切削速度增大而快速升高，當(dāng)切削速度超過(guò)75 m/min時(shí)，刀尖最高溫度超過(guò)了900℃，而YG8硬質(zhì)合金刀片能夠持續(xù)切削能力的最高溫度不超過(guò)900℃，因此仿真結(jié)果表明，當(dāng)切削速度超過(guò)75 m/min時(shí)，YG8硬質(zhì)合金刀片將會(huì)快速磨損，該類(lèi)刀片不適合在較高的速度下切削TC4鈦合金。

3 結(jié)語(yǔ)

基于Marc建立了TC4鈦合金的正交切削仿真模型，對(duì)TC4鈦合金切削時(shí)的溫度進(jìn)行了仿真，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得到如下結(jié)論:

(1)仿真模型在低速切削時(shí)能較好地反應(yīng)實(shí)際切削溫度，在高速切削時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，且對(duì)切削溫度產(chǎn)生較大影響，仿真模型不能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際切削溫度。

(2)采用75 m/min以上的切削速度切削TC4鈦合金時(shí)，YG8硬質(zhì)合金刀片難以提供較為有效的切削能力。

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