基于DEFORM-3D 的鈦合金切削仿真研究*

嚴(yán) 帥，王明建，胡小康，陸 益，任家隆

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

鈦合金是航空航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種難加工材料，加工時(shí)切削力大、刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低。選擇合理的刀具涂層材料和切削用量可有效抑制切削力和切削溫度的增加，是提高鈦合金加工效率的有效途徑之一。然而單純依靠實(shí)驗(yàn)手段，不但耗時(shí)費(fèi)力增加生產(chǎn)成本，并且切削過程中的切削力與切削溫度很難準(zhǔn)確獲得［1-2］。

DEFORM-3D 是一套基于有限元理論、金屬塑性成形和工藝模擬的系統(tǒng)，能夠獲取切削過程中某一時(shí)刻切削力、切削溫度和刀具磨損量等重要數(shù)據(jù)［3］。文中借助DEFORM-3D 對TC4 鈦合金工件進(jìn)行了三種常用涂層材料刀具在特定切削參數(shù)下的有限元數(shù)值車削模擬，并對各工藝參數(shù)下的切削力和刀具切削溫度進(jìn)行了對比分析，為實(shí)際加工參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 仿真模型的建立

1.1 彈塑性應(yīng)力模型

切削過程中，工件材料容易在高溫(200～1000℃或更高)、大應(yīng)變(6～20 或更高)和大應(yīng)變率(103～105S-1或更高)的情況下發(fā)生彈塑性流動(dòng)［4］。根據(jù)Prandtl-Reuss 塑性流動(dòng)理論［2］:

對于各向同性材料，硬化曲線的斜率H'為:

式中:dε0為等效應(yīng)力增量;d σ 為有效應(yīng)力的微分。

物體內(nèi)一點(diǎn)的總應(yīng)變增量dεij由彈性應(yīng)變增量和塑性應(yīng)變增量兩部分構(gòu)成，即

綜合式(1)～(3)，可得到切削變形時(shí)的彈塑性增量的本構(gòu)關(guān)系方程為:

式中:μ 為泊松比;E為彈性模量;σ'ij為Kroneeker 記號為應(yīng)力偏量增量;dσm為平均應(yīng)力增量。

1.2 熱傳導(dǎo)模型

切削的熱傳導(dǎo)［5］偏微方程為:

式中:λ 為熱導(dǎo)率;T為溫度;ρ 為材料密度;c為材料比熱容;μ、v為移動(dòng)熱源在x和y方向的速度分量;Q為單位體積的熱產(chǎn)生率，且有:

式中:M為熱功當(dāng)量;Wh為塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱能的比率，通常取0.9;W'p為塑性應(yīng)變速率。

刀具的前刀面與切屑、后刀面與已加工表面之間的摩擦熱方程為:

1.3 刀具及工件材料的選擇

DEFORM -3D 擁有豐富的材料庫，并且可以根據(jù)需要自定義材料屬性［6］。本文研究TC4 鈦合金在WC基硬質(zhì)合金涂層刀具下的切削情況，模擬試驗(yàn)中，選擇WC 為刀具基體材料，分別選擇TiN、TiCN 及Al2O3為刀具涂層材料，選擇TC4 鈦合金為工件材料。為方便工件的前處理以及提高求解計(jì)算的速度，在本模擬中，取工件的1/18 作為研究對象。

1.4 仿真參數(shù)的設(shè)定

模擬試驗(yàn)中，參照TC4 鈦合金的物理力學(xué)性能參數(shù)(見表1)設(shè)置相應(yīng)的DEFORM 模擬參數(shù)。金屬切削的有限元模擬計(jì)算中，冷卻作用通過設(shè)置換熱系數(shù)來實(shí)現(xiàn)［7-8］，在定義工件表面與外界的熱交換時(shí)，環(huán)境溫度設(shè)為20℃，熱傳遞系數(shù)為0.02N/sec/mm/C。潤滑作用通過設(shè)置刀-屑摩擦系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，鑒于鈦合金切削的粘刀現(xiàn)象，取刀/屑摩擦系數(shù)為0.8。為防止產(chǎn)生不合格單元以保證計(jì)算精度，在模擬過程中采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃(AMG)技術(shù)劃分網(wǎng)格［9］。刀具Size Ratio項(xiàng)設(shè)為4，網(wǎng)格數(shù)量為35000;工件Size Ratio 項(xiàng)設(shè)為7，網(wǎng)格數(shù)量為40000。在仿真控制中，綜合考慮計(jì)算精度和效率，設(shè)置仿真步數(shù)為600 步，每25 步保存一次計(jì)算數(shù)據(jù)，切削終止角度為15°。另外采用Tool wear calculation with Usui mode 對刀具磨損進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值分別取a、b為0.0000001 和855.0。

表1 鈦合金TC4 的物理力學(xué)性能參數(shù)

2 仿真結(jié)果及分析

在相同的刀具參數(shù)和切削用量條件下，采用不同的硬質(zhì)合金涂層刀具車削TC4 鈦合金切削力及刀具切削溫度的模擬結(jié)果分別如圖1～3 所示。本文采用的模擬試驗(yàn)切削用量與生產(chǎn)要求一致如表2 所示。

表2 切削用量選取

TiN、TiCN 和Al2O3三種涂層刀具，在vc=35mm，ap=4mm，f=0.3 mm/rev 時(shí)主切削力和刀具切削溫度見圖1～2。

三種涂層刀具在表2 所示的三組模擬試驗(yàn)下的主切削力對比見圖3。圖中橫坐標(biāo)代表模擬試驗(yàn)編號，縱坐標(biāo)為主切削力。

圖3 三種涂層刀具各模擬試驗(yàn)下的主切削力比較

由圖1、3 可知，在相同的切削條件下，分別以TiN、TiCN 及Al2O3為涂層材料的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行模擬車削時(shí)，Al2O3硬質(zhì)合金涂層刀具產(chǎn)生的主切削力最小，切削過程最穩(wěn)定。而且，隨著切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量的增大，三種涂層刀具的主切削力差值越明顯。這是由于:Al2O3具有良好的熱穩(wěn)定性，而TiN 及TiCN 在高溫下易氧化［10］。切削過程中，刀具刃口及附近部位容易形成氧化層，影響涂層的化學(xué)及物理性質(zhì)。而產(chǎn)生的氧化物與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度較低，切削時(shí)，這層極薄的氧化物容易從基體上剝落，使得刀具刃口“變鈍”，切削力變大。并且Al2O3較其它兩種材料摩擦系數(shù)低，在不同速度下更加不易產(chǎn)生積屑瘤，故而切削過程相對其他兩種涂層刀具更加平穩(wěn)。

由圖2 可知，以Al2O3作為刀具涂層進(jìn)行模擬車削時(shí)，刀具切削溫度和熱影響區(qū)明顯小于另外兩種涂層刀具。這是由于在三種涂層材料中，TiN 和TiCN 的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，而Al2O3熱傳導(dǎo)率恰好相反。并且在300℃之后，Al2O3的熱導(dǎo)率開始低于TiN 和TiCN［11］。所以在相同的切削條件下，Al2O3涂層的低熱導(dǎo)率性質(zhì)導(dǎo)致傳入切屑和工件的熱量增大，而傳入刀具的熱量減小，因此Al2O3涂層刀具的切削溫度最低。隨著切削的進(jìn)行，工件首先發(fā)生軟化，且軟化程度最高，更利于切削。

由以上分析可知，相同的切削條下，各種涂層材料對切削力及刀具切削溫度的影響各不相同。對于TC4 鈦合金而言，從減小切削力和降低刀具切削溫度的角度考慮，選擇Al2O3作為刀具涂層材料最為合適。

3 Al2O3 涂層刀具切削用量的優(yōu)化

為了進(jìn)一步了解各切削參數(shù)對刀具切削溫度的影響規(guī)律，本文利用三因素三水平正交法對Al2O3涂層刀具進(jìn)行模擬車削試驗(yàn)。表3 為在不同切削參數(shù)下Al2O3涂層刀具的溫度仿真結(jié)果。A、B、C 分別是切削速度vc、背吃刀量ap和進(jìn)給量f。K1、K2和K3行的三個(gè)數(shù)值分別是因素A、B、C 不同水平對應(yīng)的切削溫度的總和。K1、K2、K3行分別是上述因素各工藝水平對應(yīng)切削溫度的均值。均值的極大值和極小值之差為極差，極差越大，表明對刀具切削溫度的影響越大。表3 表明，A 對切削溫度的影響最大，C 次之，B 最小。

表3 刀具切削溫度正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，刀具的切削溫度變化規(guī)律符合如下規(guī)律:vc、ap和f增大，切削熱增多，切削溫度將隨之升高。但vc、ap和f對切削溫度影響的程度不同，其中切削速度vc對切削溫度的影響最為顯著，進(jìn)給量f次之，背吃刀量ap最小。因?yàn)関c增大，切屑從前刀面流出的速度加快，摩擦加劇產(chǎn)生大量的熱來不及傳入切屑的內(nèi)部，聚集于刀-屑接觸區(qū)導(dǎo)致刀具切削溫度增大，所以vc對刀具切削溫度影響最大;f增大，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，所以f對切削溫度的影響不如vc顯著;ap增大，切削刃長度增大，散熱條件改善，故ap對其影響相對較?。?2］。

忽略其它因素的影響，僅從降低刀具切削溫度的角度考慮，最優(yōu)方案應(yīng)是A1B2C1，即當(dāng)vc=30mm，ap=4mm，f=0.2 mm/rev 時(shí)可在理論上獲得最小的刀具切削溫度，使刀具的磨損量達(dá)到最小，從而提高刀具的耐用度。

4 結(jié)論

(1)本文以DEFORM-3D 軟件為平臺，建立了TC4鈦合金的三維車削有限元模型，成功模擬并探究了不同涂層材料刀具對主切削力和刀具切削溫度的影響規(guī)律，減少了研究中的試驗(yàn)次數(shù)，提高了研究效率，降低了研究成本。

(2)分別模擬了以TiN、TiCN 和Al2O3為涂層材料的硬質(zhì)合金刀具車削TC4 鈦合金的過程，試驗(yàn)得出:在切削TC4 鈦合金時(shí)Al2O3涂層刀具的切削性能最優(yōu)，最佳工藝參數(shù)為vc=30mm，ap=4mm，f=0.2 mm/rev。

(3)金屬切削中，在控制刀具切削溫度的前提下提高加工效率時(shí)，應(yīng)在機(jī)床允許的條件下，選用較大的背吃刀量和進(jìn)給量及較小的切削速度，從而降低刀具切削溫度，減少刀具磨損，提高刀具的耐用度。

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