超聲振動(dòng)銑削加工切削溫度有限元仿真研究

王明海，李世永，鄭耀輝，王京剛，高 蕾

WANG Ming-hai,LI Shi-yong,ZHENG Yao-hui,WANG Jing-gang,GAO Lei

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

0 引言

鈦合金材料的比強(qiáng)度高、耐高溫特性使其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，然而該材料的化學(xué)活性高、導(dǎo)熱性差及摩擦系數(shù)大特點(diǎn)使其在加工中切削溫度較高，刀具磨損嚴(yán)重。超聲振動(dòng)輔助切削是一種施加刀具或工件超聲振動(dòng)，使刀具與切削層超聲頻接觸和分離的斷續(xù)切削加工方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，施加超聲振動(dòng)后會(huì)明顯改善難加工材料加工性，減弱刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命[1～3]，降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量[4,5]。

切削溫度作為衡量切削加工性重要參數(shù)，通過(guò)研究切削溫度優(yōu)化加工參數(shù)顯得尤其重要。目前，切削溫度的研究方法有試驗(yàn)法、解析法和數(shù)值法三種[6]。試驗(yàn)法可測(cè)得某點(diǎn)的平均溫度，但無(wú)法測(cè)量瞬時(shí)溫度場(chǎng)；解析法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜且是基于多種假設(shè)條件，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值誤差較大；以有限元為代表的數(shù)值法不僅能大大節(jié)省試驗(yàn)成本，而且能方便獲得切削區(qū)溫度場(chǎng)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和有限元技術(shù)的發(fā)展，利用有限元仿真對(duì)切削溫度場(chǎng)進(jìn)行研究逐漸成為一種重要方法，Armendia[7]利用有限元技術(shù)研究了銑削加工Ti6A14V和AISI 4140的不同速度條件對(duì)切削區(qū)溫度的影響，王懷峰[8]建立了三維車削有限元模型，分析了刀具及工件的切削熱分布情況。

盡管超聲振動(dòng)切削難加工材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但關(guān)于振動(dòng)參數(shù)和切削用量對(duì)切削加工影響的進(jìn)一步研究卻很少。本文以Ti6A14V為工件材料，應(yīng)用有限元技術(shù)計(jì)算了有無(wú)超聲振動(dòng)條件的銑削加工刀具溫度場(chǎng)，并深入研究了加工參數(shù)（振動(dòng)頻率f、振幅A、銑削速度V和每齒進(jìn)給量fz）對(duì)刀具溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 溫度場(chǎng)控制理論與有限元模型

1.1 溫度場(chǎng)有限元控制方程

切削溫度表現(xiàn)為切削熱產(chǎn)生、工件熱傳導(dǎo)以及與周圍空氣熱對(duì)流的綜合結(jié)果。金屬切削加工產(chǎn)生的熱量主要有工件塑性變形熱、刀具前刀面與切屑以及刀具后刀面與加工面的摩擦熱。塑性變形功引起的溫升ΔQs可用式(1)表示：

式中：f1為塑性變形功轉(zhuǎn)換為熱的系數(shù)，為等效應(yīng)力，為等效應(yīng)變率，Δt為時(shí)間間隔，r為密度，c為比熱容

摩擦功引起的溫升ΔQm用式(2)表示，

式中： f2為摩擦功轉(zhuǎn)換為熱的系數(shù)，ts為摩擦面上剪切應(yīng)力，為刀屑間相對(duì)滑移速度

計(jì)算物體內(nèi)部的溫度分布，需要建立熱傳導(dǎo)方程以及解決初始條件與邊界條件[9]。對(duì)于熱傳導(dǎo)方程，假定工件材料導(dǎo)熱各向同性，控制溫度的能量平衡方程包括熱傳導(dǎo)率、內(nèi)能熱率和塑性變形熱能率三部分，可用式(3)表示。

關(guān)于初始條件，工件開始變形時(shí)溫度用式(4)表示：

式中：Γa+Γb+Γc=Γ，其中Γ為空間域的所有邊界。

因此，求解溫度分布問(wèn)題就是在給定的初始條件下，基于設(shè)定的邊界條件計(jì)算熱傳導(dǎo)方程。

1.2 超聲振動(dòng)銑削模型的建立

基于ABAQUS/Exp1icit求解器建立的超聲銑削Ti6A14V材料有限元模型如圖1所示。表1為所用立銑刀的規(guī)格，將銑刀約束為剛體，設(shè)置工件材料的物理屬性為基于溫度變化屬性。設(shè)置分析步為完全熱力耦合分析步，為減少計(jì)算成本，分析步時(shí)間為0.45s。設(shè)置刀具、工件和周圍環(huán)境的初始溫度為20℃，并通過(guò)Interaction模塊對(duì)刀具-工件間的熱傳導(dǎo)以及刀具與周圍環(huán)境的熱對(duì)流進(jìn)行設(shè)置。銑削仿真加工條件如下：銑刀繞Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)并沿Y軸正方向移動(dòng)，工件沿X軸方向超聲振動(dòng)；軸向切深ap=2mm，徑向切寬ae=0.5mm，其余加工參數(shù)見下文。

表1 立銑刀參數(shù)

圖1 銑削有限元模型

2 有限元仿真結(jié)果與分析

2.1 刀具溫度場(chǎng)分布

銑削參數(shù)V=30m/min、fz=50μm/z時(shí)，計(jì)算了有無(wú)超聲振動(dòng)(f=20kHz、A=10μm)條件的銑削加工溫度場(chǎng)變化，圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別為時(shí)間t=0.15s/0.3s/0.45s時(shí)的銑刀溫度場(chǎng)。從圖2看出，振動(dòng)銑削的刀具溫度明顯低于傳統(tǒng)銑削刀具溫度，這主要因?yàn)檎駝?dòng)銑削的刀屑分離特性有利于熱量的散失，減少了熱量累積，以及文獻(xiàn)[10]證明振動(dòng)銑削時(shí)平均摩擦系數(shù)會(huì)降低，這樣就會(huì)減少摩擦熱。還可看出，隨著t增大，累積的熱量使得刀尖局部溫度上升，說(shuō)明產(chǎn)生熱量多于散失熱量。

圖2 銑削加工的刀具溫度場(chǎng)

2.2 不同參數(shù)條件時(shí)的刀具溫度

加工參數(shù)(V=30m/min,fz=50μm/z,A=10μm)不變時(shí)，對(duì)不同振動(dòng)頻率的銑削加工進(jìn)行了仿真。為減小溫度值誤差，取分析步時(shí)間的刀尖每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期中峰值溫度的平均值作為刀尖平均溫度T，不同頻率對(duì)T值的影響規(guī)律如圖3所示。從圖3得知，施加振動(dòng)條件后T值明顯減小，并且頻率由20kHz向60kHz升高時(shí)，T值出現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。原因可能是升高頻率一方面會(huì)降低凈切削時(shí)間比，這有利于熱量的散失，另一方面會(huì)增多刀具與工件的摩擦次數(shù)，摩擦熱會(huì)增多，圖3中T值趨勢(shì)的改變說(shuō)明對(duì)應(yīng)的主導(dǎo)原因發(fā)生了改變。

圖3 不同振動(dòng)頻率對(duì)切削溫度的影響

加工參數(shù)(V=30m/min,fz=50μm/z,f=20kHz)不變時(shí)，不同振幅對(duì)T值的影響規(guī)律如圖4所示?？煽闯鲭S著振幅增大，溫度T有降低趨勢(shì)，而且當(dāng)A＜15μm時(shí)溫度T的降低幅度較大，當(dāng)A＞15μm時(shí)T值變化不大。這可能因?yàn)樵龃笳穹沟脙羟邢鲿r(shí)間比減小，刀具-工件的分離效應(yīng)顯著，斷續(xù)切削方式有利于熱量的散失，進(jìn)一步增大振幅后，增大的銑刀后刀面與加工面摩擦位移導(dǎo)致摩擦熱增多，綜合結(jié)果T值變化不再明顯。

圖4 不同振幅對(duì)切削溫度的影響

每齒進(jìn)給量fz=50μm/z時(shí)，有無(wú)超聲振動(dòng)(f=20kHz,A=10μm)銑削的V對(duì)T影響規(guī)律如圖5所示。對(duì)于振動(dòng)銑削，V由30m/min增大至50m/min時(shí)，溫度T緩慢上升，而當(dāng)V＞50m/min時(shí)，T上升幅度明顯增大。根據(jù)振動(dòng)切削理論，臨界切削速度VC=2πfA，因此可得VC=75m/min，即V≥75m/min時(shí)分離式切削方式完全變?yōu)檫B續(xù)切削方式。當(dāng)V＞50m/min時(shí)，振動(dòng)切削的刀屑分離位移會(huì)明顯減少，大大減弱振動(dòng)切削優(yōu)越性，這與文獻(xiàn)[11]研究結(jié)論一致；當(dāng)V≥75m/min時(shí)，連續(xù)切削方式致使振動(dòng)輔助切削優(yōu)勢(shì)非常微弱，所以振動(dòng)銑削的T值接近傳統(tǒng)銑削T值。

圖5 不同銑削速度對(duì)切削溫度的影響

銑削速度V=30m/min時(shí)，有無(wú)超聲振動(dòng)(f=20kHz,A=10μm)銑削的fz對(duì)T影響規(guī)律如圖6所示。由圖6看出，振動(dòng)銑削與傳統(tǒng)銑削都是溫度T隨著fz的增大而升高，并從仿真結(jié)果看出振動(dòng)銑削的刀尖溫度比傳統(tǒng)銑削刀尖溫度低30℃左右。

圖6 不同每齒進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響

3 結(jié)論

基于溫度場(chǎng)有限元仿真，得出結(jié)論：1)對(duì)比傳統(tǒng)銑削加工，超聲振動(dòng)銑削時(shí)刀具溫度明顯降低。2)增大振動(dòng)頻率有利于降低刀具溫度，但頻率過(guò)大反而因?yàn)槟Σ翢岬脑龆鄬?dǎo)致刀具溫度升高；增大振幅使得刀具-工件分離效應(yīng)顯著，因此能降低刀具溫度。3)升高銑削速度后凈切削時(shí)間比增大，散熱時(shí)間的減少使得刀具溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)銑削速度增大至80m/min時(shí)，刀具溫度接近傳統(tǒng)銑削刀具溫度；增大進(jìn)給量，振動(dòng)銑削的刀具溫度為上升趨勢(shì)。

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