鈦合金銑削加工的切屑形態(tài)仿真及實驗研究

于鳳云， 吳 林， 王 賀， 涂 元

(黑龍江科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

鈦合金是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、強度高、低溫性好、抗腐蝕性強等優(yōu)點［1］，因此，在航空航天、船舶、電子等行業(yè)得到了迅猛地發(fā)展，被大量應(yīng)用于制造飛機等航天器材的零部件。由于鈦合金同時具有切削溫度高、摩擦系數(shù)大、單位面積切削應(yīng)力大等特點，導(dǎo)致其加工性差，刀尖磨損嚴重，受力較大時容易彎曲變形，引起振動［2］。

在切削鈦合金過程中，鋸齒狀切屑是其典型的特征［3］，其切屑的形態(tài)不僅影響刀具的壽命，同時降低了加工表面的質(zhì)量，故研究鋸齒形切屑的形成機理及工件材料與切削參數(shù)之間的關(guān)系對鈦合金切削加工的發(fā)展具有重要意義。

筆者利用有限元軟件AdvantEdge FEM 模擬鈦合金TC4 鋸齒狀切屑的形成過程，探討鋸齒狀切屑的形成機理以及切削參數(shù)對鋸齒狀切屑形態(tài)的影響，在改變刀具前角和切削速度的情況下，對鈦合金TC4 進行有限元仿真，找出上述因素對切削力和切削溫度的變化規(guī)律，為優(yōu)化銑削鈦合金TC4刀具幾何參數(shù)及切削用量的合理選擇提供參考依據(jù)。

1 銑削有限元模型

1.1 有限元模型的建立

AdvantEdge FEM 軟件可以模擬銑削、車削和拉削等多種加工方式。文中采用AdvantEdge FEM 軟件分析鈦合金TC4 的切屑形態(tài)。選擇2D 順銑，工作面的高度采用默認值2 mm，銑削的長度為5 mm，從材料庫中選擇Ti －6Al －4V 作為工件的材料，從刀具庫(Tool Material)中選擇Carbide －General(硬質(zhì)合金刀具)作為刀具材料。建立仿真2D 幾何模型，如圖1 所示。

圖1 二維銑削有限元模型Fig．1 Two dimensional finite element model of milling

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

AdvantEdge FEM 軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，非切削的區(qū)域采用粗網(wǎng)格，對切削區(qū)域的網(wǎng)格進行逐層加密，該方式可提高仿真結(jié)果的準確性，縮短仿真時間，提高仿真的效率［4］。網(wǎng)格劃分尺寸的變化梯度決定了從刀尖與工件接觸的附近到遠離接觸表面網(wǎng)格轉(zhuǎn)化程度，其影響模擬的穩(wěn)定性。

(1)刀具網(wǎng)格的劃分，最大刀具網(wǎng)格單元尺寸為1 mm，最小刀具網(wǎng)格單元尺寸為0.02 mm，網(wǎng)格尺寸梯度變化為0.5。

(2)工件網(wǎng)格的劃分，非切削區(qū)網(wǎng)格最大單元尺寸為0.2 mm，網(wǎng)格最小網(wǎng)格單元尺寸是0.02 mm，網(wǎng)格尺寸梯度變化為0.5。

(3)自適應(yīng)網(wǎng)格重劃系數(shù)，刀具網(wǎng)格細化系數(shù)為1，工件網(wǎng)格細化系數(shù)為5，切屑網(wǎng)格細化系數(shù)為1［5］。

2 切屑形成過程及仿真結(jié)果

在銑削加工過程中，切屑的形態(tài)影響加工表面的質(zhì)量，因此，研究切屑的形成過程顯得尤為重要，文中對硬質(zhì)合金刀具銑削TC4 進行有限元仿真，觀察切屑的形成過程，分析切屑的形成機理。仿真的具體參數(shù)為:刀具參數(shù)，前角α=7．5°，后角β =15°，刀尖半徑r = 0．2 mm;切削參數(shù)，切削速度v =18．84 m/min，背吃刀量ap=1 mm，每齒進給量af=0．05 mm/r。結(jié)果見圖2。

由圖2 可見，圖2a 為刀具準備切入時的模擬狀態(tài)，工件與刀具未發(fā)生接觸無應(yīng)力產(chǎn)生。圖2b 為刀具剛開始切入工件時，刀具刃口與工件接觸處應(yīng)力最大，此時刃口附近由于刀具的觸碰發(fā)生擠壓變形。由于刀具刃口切削力做功，動能轉(zhuǎn)化為熱能，刀具刃口與工件表面溫度開始升高。圖2c 在刀尖處附近的材料因變形程度和溫度均比較高，此處形成軟化區(qū)，同時切屑根部由于滑移區(qū)受力部分不斷減少，導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。圖2d 說明工件內(nèi)部產(chǎn)生晶格的剪切滑移，發(fā)生塑性變形，已經(jīng)形成鋸齒狀。圖2e說明第二個齒開始擠壓變形。

在銑削鈦合金TC4 的過程中，材料產(chǎn)生較大的塑性變形，在變形的過程中出現(xiàn)加工硬化，其剪切滑移面上的應(yīng)力不斷增加，導(dǎo)致應(yīng)力集中［6］，使附近部位的剪切應(yīng)力超過材料的強度極限，導(dǎo)致切屑上端發(fā)生斷裂下端仍然連接在一起，其表現(xiàn)為工件與刃口接觸的部位較為光滑，工件表面則呈現(xiàn)鋸齒狀［7］。

圖2 鈦合金銑削加工切屑形成的模擬過程Fig．2 Titanium alloy milling process simulation of chip formation process

3 銑削加工實驗

3.1 刀具前角對切屑形態(tài)的影響

銑削鈦合金TC4 的加工過程中，加工設(shè)備采用立式加工中心XH716E;刀具材料為YG8，整體硬質(zhì)合金立銑刀，直徑10 mm，后角15°，刀具長60 mm，切削部分長30 mm，刀尖圓弧半徑1 mm;主軸轉(zhuǎn)速n為600 r/min，進給速度vf為150 mm/min，背吃刀量ap為1 mm，銑削寬度ae為2 mm;電子顯微鏡為Olympus SZX12。

在上述實驗條件下，改變刀具前角，分別為0°、7.5°、15°，進行TC4 的銑削加工實驗。在相同條件下，應(yīng)用AdvantEdge FEM 對切屑形成過程進行仿真，將仿真與銑削實驗所得到的切屑形貌進行對比，如圖3 所示。

圖3 不同刀具前角仿真與實驗切屑對比Fig．3 Different rake angle of tool chip simulation and experiment comparison

從圖3 中可以看出，有限元仿真的切屑形態(tài)與實驗結(jié)果非常接近，因此可以應(yīng)用仿真模擬鋸齒的變化狀況。由仿真結(jié)果可以看出，刀具前角從0°改變到15°時，刀尖主切削區(qū)內(nèi)的切屑變形隨著刀具前角的增大而減小，這說明刀具的前角對切屑形態(tài)具有重要影響，當使用較小的前角時，容易形成鋸齒狀切屑。

在實際銑削加工中，由于銑刀切削刃是逐漸切入和切出工件，使得切屑厚度時刻變化，文中采用的是順銑，刀具每齒切入的厚度是從厚到薄的［8］，如圖4a 所示。仿真的是刀具一個齒從切入到切出的過程，其仿真出的切屑是由厚到薄的過程，如圖4b所示。

圖4 刀具進給過程Fig．4 Tool feed process

由于銑削是斷續(xù)切削，考慮銑削受力情況往往是峰峰值的平均值，仿真考慮的也是峰值受力的狀況，模擬出來的力是處于高頻波動的狀態(tài)，要辨別力的情況，通過對原始數(shù)據(jù)進行高頻過濾，獲得所需要的切削力，再通過十階多項式擬合生成平滑擬合的過濾曲線，如圖5～7 所示。圖5～7 中分別對x、y力及溫度在不同刀具前角條件下進行了對比，考慮單個切削刃在切入到切出時峰值的變化情況，發(fā)現(xiàn)在相同條件下刀具前角越大力及溫度到達峰值的時間越短，力和溫度下降趨勢越明顯。銑削力和銑削溫度的變化情況，如表1 所示。

表1 不同刀具前角時銑削力和銑削溫度的變化情況Table 1 Milling force and temperature different tool rake angle

圖5 不同刀具前角，銑削力和銑削溫度的變化Fig．5 Different rake angle，milling force and temperature changes

圖6 不同方向切削力與時間的關(guān)系Fig．6 Relationship between different direction cutting force and time

圖7 切削溫度與時間的關(guān)系Fig．7 Relation between cutting temperature and time

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著前角的增大，銑削力和銑削溫度均呈下降的趨勢。采用較小前角時，刀具與切屑接觸較長，同時切屑體積較大，此時切屑產(chǎn)生更大的變形，同時刀具上承受較大的銑削力，結(jié)塊間的絕熱剪切帶變形較大，且變形區(qū)較窄，所以銑削力越大，所產(chǎn)生的切削溫度也就越高。隨著前角的增加，主變形區(qū)與刃口前刀面變形程度就越小，鋸齒狀切屑中的絕熱剪切帶也就越寬，帶中的應(yīng)變梯度也就越小，應(yīng)力也就越小，溫度也就越低，增大前角可以同時緩解主變形區(qū)與前刀面接觸區(qū)域的變形程度。

3.2 銑削速度對切屑形態(tài)的影響

在上述實驗條件下，改變主軸轉(zhuǎn)速，分別為600、900、1 200 和1 500 r/min，進行TC4 的銑削加工實驗，參數(shù)如表2 所示。在相同條件下，應(yīng)用AdvantEdge FEM 對切屑形成過程進行仿真，將仿真與銑削實驗所得到的切屑形貌進行對比，如圖8 所示。圖9 和圖10 對x、y 力及溫度在不同銑削速度下進行對比，在相同條件下，速度越高到達峰值時間越短，銑削力緩慢下降，溫度明顯上升。不同銑削速度下銑削力和銑削溫度數(shù)值如表3 所示。

表2 刀具參數(shù)和切削參數(shù)Table 2 Tool parameters and cutting parameters

表3 不同銑削速度下銑削力和銑削溫度數(shù)值Table 3 Milling force and temperature values under different milling speed

由表3 可以看出，改變銑削速度，銑削力呈緩慢下降的趨勢，銑削溫度呈明顯地上升，可見在低速下，速度的改變對銑削力影響較小，而速度的改變，使單位時間內(nèi)所做的功增大，單位時間內(nèi)熱量同樣也增多，大量的熱量集聚在刀刃口，使溫度上升的較為明顯，此外銑削速度越高，切屑的流速越快，切屑與刃口處發(fā)生更為強烈的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱，也是溫度升高的原因。

圖8 不同切削速度時銑削力的變化Fig．8 Different milling force and milling temperature changes during cutting speed

圖9 不同方向切削力與時間的關(guān)系Fig．9 Relationship between different direction cutting force and time

圖10 切削溫度與時間的關(guān)系Fig．10 Relation between cutting temperature and time

4 結(jié) 論

(1)采用AdvantEdge FEM 軟件模擬了鈦合金鋸齒形切屑的形成過程，分析了鋸齒從受力變形、隆起、剪切滑移的變化過程，發(fā)現(xiàn)在銑刀剛切削工件表面時，其需要承受更大的應(yīng)力。

(2)通過刀具前角的單因素實驗發(fā)現(xiàn)，隨著刀具前角的增大鋸齒形越來越不顯著，銑削力和銑削溫度均呈下降趨勢。

(3)在低速情況下，改變切削速度，銑削力呈緩慢下降的趨勢，銑削力變化不明顯，可見在低速下，速度的改變對銑削力影響較小，銑削溫度呈明顯的上升趨勢，受影響較大。

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