鈦合金銑削加工切屑形成機(jī)理的仿真與實(shí)驗(yàn)

于鳳云,　王　賀,　吳　林,　涂　元

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

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鈦合金銑削加工切屑形成機(jī)理的仿真與實(shí)驗(yàn)

于鳳云,王賀,吳林,涂元

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

鋸齒狀切屑加劇刀具的磨損,降低零件表面質(zhì)量。為研究鋸齒狀切屑的形成機(jī)理,通過ABAQUS仿真軟件,建立鈦合金 TC4正交切削二維模型,由此仿真模型得到鋸齒狀切屑,與實(shí)驗(yàn)得到的鋸齒狀切屑形貌進(jìn)行對比,驗(yàn)證了仿真切削模擬的可行性。通過仿真得到單個(gè)鋸齒狀切屑形成的過程,分析了鋸齒狀切屑的形成機(jī)理，研究了進(jìn)給速度對鋸齒狀切屑形成過程的影響。該研究為鈦合金的銑削加工提供了理論依據(jù)。

TC4; 鋸齒狀切屑; 有限元分析

0　引　言

鈦合金的優(yōu)良特性主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性,抗腐蝕性,耐高溫性，高強(qiáng)度性,因此,廣泛應(yīng)用于航空航天和石油化工等領(lǐng)域。

鈦合金在切削加工過程中很容易形成鋸齒狀切屑,由此引起切削力高頻波動(dòng),加劇了刀具的磨損,降低零件表面質(zhì)量。產(chǎn)生鋸齒狀切屑的同時(shí)還伴隨著剪切帶的出現(xiàn),給切削加工帶來困難。因此,研究鋸齒狀切屑對切削加工的發(fā)展具有重要意義。二十多年來,大部分研究人員認(rèn)為絕熱剪切是造成鋸齒狀切屑產(chǎn)生的根本原因所在[1]。最近幾年,上海交通大學(xué)切削與磨削研究基地的學(xué)者綜合分析了鋸齒狀切屑形狀特征和組織形態(tài)變化等問題[2],從微觀層面進(jìn)行深入研究。

筆者采用數(shù)值模擬和切削實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究鈦合金TC4鋸齒狀切屑的形成過程,分析其形成機(jī)理,為鈦合金的銑削加工提供理論依據(jù)。

1　鋸齒狀切屑形成過程的仿真分析

1.1正交切削的幾何模型

采用ABAQUS軟件中的ABAQUS/Explicit顯示動(dòng)力學(xué)分析方法,模擬分析鈦合金正交切削二維模型加工過程。為提高運(yùn)算速度,保證其結(jié)果收斂,運(yùn)算時(shí)將銑刀視為剛體,僅考慮被加工零件的塑性變形。為了避免網(wǎng)格的過度扭曲,創(chuàng)建工件尺寸時(shí),將要切除的切屑向左端傾斜一定的角度,選擇正交切削二維模型,如圖1所示。為保證計(jì)算精度,節(jié)約計(jì)算時(shí)間,該模型切削區(qū)網(wǎng)格比較密集,遠(yuǎn)離切削區(qū)域網(wǎng)格越來越稀疏,網(wǎng)格劃分時(shí)工件單元類型是四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變檢索積分單元[3]。

圖1　正交切削二維模型

1.2有限元模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

銑削加工過程中,加工設(shè)備為立式加工中心XH716E;刀具材料為YG8,整體硬質(zhì)合金立銑刀,直徑φ10 mm,前角12°30′,后角15°,螺旋角55°30′,刀具長度60 mm,切削部分長度30 mm,刀尖圓弧半徑1 mm;轉(zhuǎn)速n=600 r/min, 進(jìn)給速度vf=150 mm/min,背吃刀量ap=1.0 mm,側(cè)吃刀量ae=2.0 mm;電子顯微鏡為Olympus SZX12。

采用絕熱分析法對鈦合金的切削過程進(jìn)行仿真模擬,在模擬切削過程中,銑削速度為18.84 m/min,背吃刀量分別為0.5、1.0 mm,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合的情況下,得到仿真切屑與實(shí)驗(yàn)切屑對比圖,如圖2所示。

圖2　仿真與實(shí)驗(yàn)切屑對比

鋸齒狀切屑分為兩類:絕熱剪切切屑和擠裂型切屑,結(jié)合仿真得到的如圖2所示切屑,發(fā)現(xiàn)其變形區(qū)主要集中在每個(gè)鋸齒狹小的連接部位,所以切屑的類型屬于絕熱剪切切屑。將仿真分析得到的切屑與銑削加工獲得的切屑進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩種方式得到的切屑形狀極其相似,均為鋸齒狀,因此,可以應(yīng)用上述仿真模型模擬鈦合金鋸齒切屑的形成。

2　銑削過程等效應(yīng)力分布仿真分析

2.1變形區(qū)的等效應(yīng)力分布

為有效預(yù)測刀具切削刃附近工件的變形情況及剪切面的變化,在背吃刀量0.5 mm,進(jìn)給速度120 mm/min,刀具前角12°30′,后角15°條件下,得到變形區(qū)的等效應(yīng)力分布,如圖3所示。

圖3　變形區(qū)的等效應(yīng)力分布

從圖3中可以看出,在銑削加工過程中第Ⅰ變形區(qū)和第Ⅱ變形區(qū)是相互關(guān)聯(lián)的,前刀面的擠壓使切削層金屬產(chǎn)生剪切滑移變形,擠壓越強(qiáng)烈變形越大,切屑在流經(jīng)前刀面時(shí)擠壓摩擦也就越大,直接導(dǎo)致第Ⅱ變形區(qū)等效應(yīng)力增大。

第Ⅰ變形區(qū)最大等效應(yīng)力為1 474 MPa,在刀尖附近區(qū)域應(yīng)力集中,而后沿剪切面向上擴(kuò)展到工件上表面,形成帶狀區(qū)域,結(jié)束一個(gè)應(yīng)力變化循環(huán)。然后應(yīng)力又在刀尖附近集中,單個(gè)鋸齒的循環(huán)累積形成了連續(xù)的鋸齒狀切屑,如圖4所示。

圖4　單個(gè)鋸齒形成過程及等效應(yīng)力分布變化

2.2單個(gè)鋸齒的形成過程

形成鋸齒狀切屑主要是由于材料的絕熱剪切造成的。在銑削加工鈦合金TC4過程中,熱軟化效應(yīng)降低了它的強(qiáng)度,銑刀刃口附近的TC4材料產(chǎn)生熱塑性失穩(wěn),導(dǎo)致整個(gè)變形區(qū)材料發(fā)生集中滑移,繼而形成鋸齒狀切屑。

通過單個(gè)鋸齒的形成過程的分析,有助于鋸齒狀切屑的形成機(jī)理及其表征的研究。當(dāng)切削參數(shù)為背吃刀量0.5 mm、進(jìn)給速度120 mm/min、刀具前角12°30′、后角15°時(shí),得到單個(gè)鋸齒形成過程及其對應(yīng)的等效應(yīng)力分布變化,見圖4。

從第二個(gè)鋸齒形成結(jié)束時(shí)的狀態(tài)(圖4a)開始分析,隨著切削的進(jìn)行,第三個(gè)鋸齒開始變形(圖4b),工件材料受前刀面的擠壓而逐漸隆起,同時(shí)工件表面外凸加劇,此時(shí)為熱塑性失穩(wěn)臨界點(diǎn)(圖4c)。隨著變形區(qū)的變形持續(xù)增大,鋸齒開始出現(xiàn),形成鋸齒狀切屑上表面(圖4d),切削繼續(xù)進(jìn)行,應(yīng)力集中加劇,變形區(qū)產(chǎn)生了集中剪切滑移,出現(xiàn)絕熱剪切帶(圖4e)。TC4材料變形區(qū)剪切滑移現(xiàn)象繼續(xù)進(jìn)行,從圖4f中已能夠看到鋸齒狀切屑的下表面已經(jīng)開始形成,鋸齒形態(tài)出現(xiàn)。

在背吃刀量0.5 mm、進(jìn)給速度120 mm/min、刀具前角12°30′、后角15°條件下,得到鋸齒形成過程中切削力的變化,如圖5所示。

圖5　鋸齒結(jié)塊發(fā)展過程中切削力的變化

圖5中標(biāo)記點(diǎn)a～f對應(yīng)圖4 中的圖a ～f六個(gè)變化狀態(tài)?？梢钥闯?在a點(diǎn)切削力降至谷底,這正是第二個(gè)鋸齒基本形成、第三個(gè)鋸齒即將開始的時(shí)刻; 從a點(diǎn)到b點(diǎn),切削力總體呈現(xiàn)增加趨勢,這是鋸齒狀切屑上表面形成的主要變形階段;經(jīng)歷短暫波動(dòng)后,切削力回升至c點(diǎn),此刻鋸齒上表面出現(xiàn)隆起;從c開始至d點(diǎn),切削力下降,鋸齒下表面正在形成;在df區(qū)間段,切削力波動(dòng)幅值減小,說明出現(xiàn)明顯集中剪切滑移現(xiàn)象。因此,從切削力的周期性變化可以反映鋸齒形成的過程。

3　鋸齒狀切屑形成機(jī)理

鋸齒狀切屑的形成理論普遍認(rèn)為有以下兩種——絕熱剪切理論和周期性斷裂理論。往往隨著切削速度的提高,形成鋸齒狀切屑的原理也在發(fā)生變化,即由低速時(shí)的絕熱剪切機(jī)理逐漸向高速時(shí)的周期性斷裂機(jī)理過渡。

絕熱剪切現(xiàn)象在有沖擊載荷的高速變形過程中是普遍存在的,如在高速撞擊、沖孔、切削、高速成型等過程中均會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。它是在高速應(yīng)變速率變形條件下,材料塑性變形高度局域化的一種常見現(xiàn)象[4]。主要原因是，應(yīng)變速率高,在一個(gè)相對狹小區(qū)域內(nèi)剪切變形高度集中,由于塑性功產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致被加工材料局部溫升增大,熱軟化現(xiàn)象加劇,材料發(fā)生熱-黏塑性本構(gòu)失穩(wěn),出現(xiàn)了絕熱剪切帶。隨著切削速度的進(jìn)一步提高，材料的塑性變形很小，材料失效以韌性斷裂的形式出現(xiàn)。隨著切削速度繼續(xù)提高,形成鋸齒形切屑的機(jī)理由熱塑性剪切失穩(wěn)機(jī)理逐漸過渡為周期性斷裂機(jī)理[5]。

4　進(jìn)給速度對鋸齒狀切屑的影響

在刀具前角12°30′,后角15°,背吃刀量為0.5 mm的條件下,改變進(jìn)給速度,對鋸齒狀切屑幾何形貌進(jìn)行仿真分析，研究進(jìn)給速度對鋸齒狀切屑幾何形貌的影響。設(shè)定的進(jìn)給速度分別為60、90、120 mm/min,如圖6所示,是切削時(shí)間為0.56 ms時(shí)不同進(jìn)給速度下的切屑形貌。

通過圖6可以看出,隨著進(jìn)給速度的增加,鋸齒狀切屑形成速度明顯加快。在同一時(shí)刻,當(dāng)進(jìn)給速度為60 mm/min時(shí),第一個(gè)鋸齒基本形成;進(jìn)給速度為90 mm/min時(shí),第二個(gè)鋸齒正在發(fā)生剪切滑移,第三個(gè)鋸齒馬上形成;進(jìn)給速度為120 mm/min時(shí),第三個(gè)鋸齒出現(xiàn)隆起。進(jìn)給速度越高,切屑局部剪切變形越大,鋸齒化越嚴(yán)重。隨著進(jìn)給速度的加快,單位時(shí)間內(nèi)金屬切除量增多的同時(shí)還會(huì)消耗更多的功,切削熱明顯增加且不易擴(kuò)散,這些變化都會(huì)加劇絕熱剪切,增大切屑變形程度。

圖6　相同時(shí)刻不同切削速度的切屑形貌

5　結(jié)　論

(1)運(yùn)用ABAQUS/Explicit顯示動(dòng)力學(xué)分析法對TC4正交切削過程進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的切屑形狀進(jìn)行比較,兩者吻合較好。

(2)通過計(jì)算機(jī)仿真軟件的應(yīng)用,可以得到切削過程中三個(gè)變形區(qū)的等效應(yīng)力,并以此判別不同切削工藝參數(shù)下切削參數(shù)的優(yōu)化選擇。

[1]HOU ZHENBIN, KOMANDURI RANGA. Modeling of thermomechanical shear instability in maching[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1997, 39(11): 1273-1275.

[2]BURNS T J, DAVIES M A. Nonlinear dnamics model for chip segmentation in machining[J]. Phys Rev Lett, 1997, 79(3): 447-450.

[3]莊茁, 張帆, 岑松. Abaqus非線性有限元分析與實(shí)例[M]. 北京： 北京科學(xué)出版社, 2005.

[4]朱雨恩, 萬珍平, 魏興釗. 鈦合金切削時(shí)鋸齒形切屑形成的材料組織變化研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2011, 30(5): 838-843.

[5]蘇國勝, 劉戰(zhàn)強(qiáng). 基于剪切帶斷裂特征的鋸齒形切屑形成機(jī)理演化的研究[J]. 工具技術(shù), 2010, 44(10): 17-19.

(編輯徐巖)

Simulation and experiment of Titanium milling mechanism of chip formation

YUFengyun,WANGHe,WULin,TUYuan

(School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Increased tool wear due to serrated chip results in a reduced surface quality of metal parts, aimed at investigating the formation mechanism of serrated chip, this paper describes the development of a two-dimensional model of titanium alloy TC4 orthogonal cutting by using the ABAQUS simulation software and the comparison between serrated chip morphology derived from the simulation model and serrated chip from the experiment, with a consequent verification of the feasibility of the simulation cutting by simulation. The simulation contributes to single serrated chip formation process, a resulting analysis of the formation mechanism of the serrated chip, and an investigation into the effects of the formation process of cutting speed on serrated chip. This study provides a theoretical basis for titanium milling.

TC4; serrated chip; finite element analysis

2013-04-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075128);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11551433)

于鳳云(1968-),女,黑龍江省慶安人,教授,博士,研究方向:現(xiàn)代金屬切削加工,E-mail:yufengyun179@sohu.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.003

TG506.7

1671-0118(2013)03-0227-04

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