基于ABAQUS 高速切削Ti-6Al-4V切削狀態(tài)的有限元仿真*

馮吉路，姜增輝

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

0 引言

金屬材料在高速切削時(shí)一般會(huì)產(chǎn)生鋸齒形切屑。在低速度切削條件下，鋸齒形切屑常見于導(dǎo)熱系數(shù)較低的難加工材料，如鈦合金［1］、鎳基合金、高強(qiáng)度鋼［2］等。在高速切削加工中，鈦合金Ti-6Al-4V必然會(huì)發(fā)生絕熱剪切，并產(chǎn)生鋸齒形切屑進(jìn)而影響切削加工，主要體現(xiàn)在鋸齒形切屑導(dǎo)致切削力導(dǎo)頻周期波動(dòng)［3］，加劇刀具的磨損［4］以及被加工表面質(zhì)量的降低［5］。因此，研究鋸齒形切屑形成過程中切削力以及切屑形態(tài)隨切削參數(shù)和刀具前角的變化規(guī)律具有十分重要的意義。

目前，對(duì)于高速切削鋸齒形切屑形成的研究主要集中于理論計(jì)算和有限元模擬兩個(gè)方面。本文基于Abaqus/Explicit 建立了鈦合金正交切削有限元模型，并運(yùn)用建立的有限元模型對(duì)鋸齒形切屑形成過程中切削力和切屑形態(tài)進(jìn)行仿真分析。

1 Ti-6Al-4V 二維切削有限元建模

1.1 幾何模型

采用YG8 刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V 的二維正交切削模型如圖1 所示，其中刀具前角為8°，后角為10°，刀具被定義為剛體，限制其y 方向的自由度，在參考點(diǎn)處施加向左方向的速度。工件尺寸為5mm ×1.2mm，工件為穩(wěn)定性較好的簡(jiǎn)化積分四節(jié)點(diǎn)溫度位移耦合減縮單元，工件側(cè)邊和底邊被約束，且工件和刀具的邊界溫度為室溫。

1.2 材料本構(gòu)模型

切削加工中塑性變形區(qū)的流動(dòng)應(yīng)力的大小與應(yīng)變、應(yīng)變率、切削區(qū)的溫度以及材料的微觀特性有關(guān)。在對(duì)比諸多熱黏塑本構(gòu)方程后，由于Johnson-Cook 模型能夠較好地反映加工過程中的熱軟化效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)以及應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，本研究選用該模型作為材料的本構(gòu)關(guān)系模型，具體可表示為:

式中:A，B，n，C，m 是由材料自身決定的常數(shù);Tm為材料的熔點(diǎn);Tr為室溫;ε0為參考應(yīng)變速率。等號(hào)右邊第一部分表示應(yīng)變?chǔ)?對(duì)流動(dòng)應(yīng)力σ 的影響，第二部分表示應(yīng)變速率ε0對(duì)流動(dòng)應(yīng)力σ 的影響，而最后一部分表示溫度T 對(duì)流動(dòng)應(yīng)力σ 的影響。仿真中各參數(shù)如表1 所示。

表1 JOHNSON-COOK 模型中各參數(shù)［6］

圖1 正交切削有限元模型

1.3 材料斷裂準(zhǔn)則

高速切削Ti-6Al-4V 時(shí)鋸齒形切屑形成采用斷裂準(zhǔn)則是非常有必要的，斷裂準(zhǔn)則完全取決于材料特性。Johnson-Cook 提出了的材料斷裂準(zhǔn)則考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度以及應(yīng)力。其優(yōu)點(diǎn)是該準(zhǔn)則可以在拉伸和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中確定，每個(gè)單元的斷裂值可以由下公式確定。

式中:Δˉεp為積分步長(zhǎng)中等效應(yīng)變的增量，ˉεpf為當(dāng)前條件下失效應(yīng)變。當(dāng)D = 1 時(shí)，材料發(fā)生失效并且刪除相關(guān)單元。失效應(yīng)變ˉεpf由下式可得:

失效應(yīng)變ˉεpf取決于變量σ*、ˉε·0、T。無綱量應(yīng)力比σ*= σm/ˉσ，σm為三個(gè)主應(yīng)力的平均值，ˉσ 為等效應(yīng)力。本文采用文獻(xiàn)［1］中Ti-6Al-4V 的損傷參數(shù)D1、D2、D3、D4、D5 分別為- 0.09、0.25、- 0.5、0.0014、3.87。

2 有限元模擬仿真結(jié)果

2.1 主要參數(shù)對(duì)切削力的影響

切削力是反映高速切削加工過程最為重要的物理指標(biāo)，是影響刀具壽命、刀具磨損和加工表面質(zhì)量的主要因素。正交切削仿真中，水平切削力是計(jì)算刀具強(qiáng)度，設(shè)計(jì)機(jī)床零件，確定機(jī)床功率的依據(jù)，垂直切削力直接影響工件的加工精度和切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，研究正交切削過程中的水平切削力和垂直切削力具有重要的意義。

仿真結(jié)果如圖2 所示，當(dāng)切削速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，切削速度對(duì)水平切削力和垂直切削力的影響并不大，這與Salomon［7］提出的高速切削有關(guān)切削力的假說是一致的。由圖3 和圖4 所示，切削深度增加時(shí)，水平切削力在增大而垂直切削力變化不大，增加刀具前角時(shí)，水平切削力和垂直切削力均減小。切削力的波動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致工藝系統(tǒng)振動(dòng)，使以加工表面形成振紋，表面粗糙度值增大，并且波動(dòng)會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生沖擊，加劇刀具的磨損。由圖5、圖6 和圖7 所示，切削力是一個(gè)“增大- 減小- 增大- 減小”的周期過程，這是因?yàn)樵阡忼X狀切屑形成過程中，當(dāng)?shù)谝蛔冃螀^(qū)開始產(chǎn)生集中滑移變形時(shí)，其承載能力下降導(dǎo)致幾何失穩(wěn)，切削力絕對(duì)值逐漸減小，隨后由于刀具繼續(xù)前進(jìn)對(duì)切削層材料產(chǎn)生擠壓，切削力絕對(duì)值又逐漸增大。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)毒咔敖侵饾u變大時(shí)，切削力反映的振動(dòng)頻率稍有變化而振動(dòng)幅度在明顯減小，切削力趨于平穩(wěn)。

圖2 切削速度對(duì)平均切削力的影響

圖3 切削深度對(duì)平均切削力的影響

綜上所述，在加工鈦合金Ti-6Al-4V 時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃蟮毒咔敖峭瑫r(shí)減小切削深度，這樣既可以減小機(jī)床的功率消耗，又可以提高加工工件的表面質(zhì)量。

圖4 刀具前角對(duì)平均切削力的影響

圖5 鋸齒形切屑形成時(shí)的切削力波動(dòng)

圖6 鋸齒形切屑形成時(shí)的切削力波動(dòng)

圖7 鋸齒形切屑形成時(shí)的切削力波動(dòng)

2.2 切屑幾何形態(tài)

目前，帶狀切屑變形程度主要采用變形系數(shù)表示，由于鋸齒形切屑的形成機(jī)理和帶狀切屑有著較大的差異，故不能用變形系數(shù)評(píng)估鋸齒形切屑變形程度。通常我們可以用鋸齒化程度表示切屑變形程度，鋸齒化程度值越大，鋸齒化越嚴(yán)重，其表達(dá)式:

如圖8 所示，H 為鋸齒齒頂高度，h 為鋸齒齒根高度。此外，評(píng)估切屑變形程度的另一個(gè)重要參數(shù)是齒距w。仿真結(jié)果如圖9、圖10 和圖11 所示，平均齒距和鋸齒化程度隨切削速度的增加而增大。當(dāng)切削深度αp≥0.2mm 時(shí)，平均齒距隨切削深度增加而增大，當(dāng)切削深度αp≤0.2mm 時(shí)，平均齒距隨切削深度的增大而減小，鋸齒化程度隨切削深度的增加而增加。

圖8 鋸齒形切屑形成時(shí)的等效應(yīng)變

圖9 切削速度對(duì)鋸齒化程度和齒距的影響

圖10 切削深度對(duì)鋸齒化程度和齒距的影響

圖11 刀具前角對(duì)鋸齒化程度和齒距的影響

平均齒距和鋸齒化程度隨刀具前角的增加而減小。隨著鋸齒化程度G 的增大，能夠反映出切屑最終將會(huì)形成單元切屑。仿真結(jié)果同M. A. Davies 研究切削淬硬鋼時(shí)切削速度、刀具前角等參數(shù)對(duì)鋸齒形切屑平均齒距和單位切削力的影響規(guī)律的發(fā)現(xiàn)是一致的。切屑的幾何形態(tài)的變化，在一定程度上能夠反映切屑形成時(shí)應(yīng)力應(yīng)變的變化情況隨切削條件改變時(shí)的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)束語

本文采用有限元分析方法，并運(yùn)用ABAQUS 軟件對(duì)高速切削Ti-6Al-4V 鋸齒形切屑形成過程中切削力和切屑形態(tài)進(jìn)行仿真分析，得出結(jié)論如下:

(1)適當(dāng)增大刀具前角，同時(shí)減小切削深度，這樣既可以減小機(jī)床的功率消耗，又可以提高加工工件的表面質(zhì)量。

(2)切削速度為60m/min－180m/min 時(shí)，平均切削力趨于平穩(wěn)，平均切削力隨切削深度的增加而增大，隨刀具前角的增加而減小。

(3)切屑鋸齒化程度和平均齒距隨切削速度和切削深度的增加而增大，隨刀具前角的增加而減小。

［1］Molinari A，Musquar C，et al. Adiabatic shear banding in high speed machining of Ti-6Al-4V:Experiments and modeling［J］. International Journal of Plasticity，2002，18(4):443－459.

［2］Barry J，Byrne G.The mechanisms of chip formation machining hardened steels［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering ASME，2002，124(3):528－535.

［3］劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬熠，艾興. 高速銑削中切削力的研究［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2003，14(9):734－737.

［4］劉戰(zhàn)強(qiáng)，艾興. 高速切削刀具磨損表面形態(tài)研究［J］. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(6):468－471.

［5］趙文祥，龍震海，王西彬. 高速切削超高強(qiáng)度鋼時(shí)次表面層的組織特性研究［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2005，25(4):20－25.

［6］朱文明，何寧，李亮. 高速切削Ti-6Al-4V 切削形成仿真研究［D］. 南京:南京航空航天學(xué)，2007.

［7］Salomon C J. Process for the machining of metals or similarly acting materials when being worked by cutting tools:Germany［P］，1931(4):523－594.