數(shù)控高速車削TC4 切削力分析與模擬

許光彬，韓 江

(1. 阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽 236016;2. 合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

鈦合金TC4 因其密度小、無磁性、熱強度與比強度高、抗腐蝕性好等優(yōu)良特性，在航空、航天、化工、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。［1］切削TC4 時切屑變形系數(shù)小，導(dǎo)熱性較差，切削區(qū)溫度可達到800℃以上，刀具容易失效，是典型的難加工材料。高速切削技術(shù)為鈦合金等難加工材料的高質(zhì)、高效加工提供了有效途徑。目前普遍認為在切削加工鈦合金時，當(dāng)切削速度大于60m/min 即為高速切削。［2，3］因切削力與切削溫度的相關(guān)性，切削力對刀具的磨損、破損以及刀具耐用度以及零件的加工精度和加工質(zhì)量影響較大。切削力是引起“機床－ 刀具－ 工件”系統(tǒng)振動的首要原因。因此，分析并研究高速切削TC4 切削用量對切削力的影響對提高刀具耐用度，機床、夾具優(yōu)化設(shè)計和切削參數(shù)的選擇有重要意義。

Deform－3D 采用成熟的數(shù)學(xué)理論和分析模型，用于模擬零件制造(熱、冷、溫成形、熱處理、機加工)等金屬成形工藝設(shè)計過程，應(yīng)用效果成熟可靠。在金屬切削模塊，通過對車、銑、刨及鉆孔切削過程中工件溫度、變形及切屑產(chǎn)生等進行模擬，預(yù)測分析切削刀具的受力情況、溫度場分布與變化，評估刀具的磨損情況等，能夠獲得許多通過實驗不易獲得極具價值的信息。

1 高速切削力理論分析

金屬切削時剪切面上變形需要的力由兩部分構(gòu)成:一是剪切力Fs;二是達朗伯慣性力Fm，如(1)、(2)所示。［4，5］

SS、Ac、vC、ρ 、φ、γ0分別是剪應(yīng)力、剪切面積、切削速度、密度、剪切角、前角?？紤]后刀面的摩擦力，切削總力公式為:［6］

Ff—后刀面與已加工表面的摩擦力，在切削速度小于1500m/min 時，F(xiàn)m遠小于Fs，可以忽略不計簡寫。

把式(1)Fs= SsAs/sinφ 代入式(3)可得:

化簡后得:

麥錢特(Merchant)剪切角公式(7)適合于任何切削速度條件下。［6］該式表明剪切角φ 與摩擦系數(shù)μ=tanβ 和γ0的關(guān)系。

根據(jù)以上分析，得出如下結(jié)論:

(1)切削開始，隨著切削速度的增加，摩擦系數(shù)μ 的增加，剪切角φ 減小，切削力增加。在高速區(qū)，隨著切削速度的提高，切削溫度的軟化效應(yīng)占主導(dǎo)，動態(tài)剪切力SS、μ 下降并趨于穩(wěn)定，切削力隨后降低，最后趨于穩(wěn)定。

(2)進給量與切削深度與切削力近似成正比。

2 有限元模型的建立

2.1 材料模型

在DEFORM 軟件中，選擇J—C 模型適用于描述金屬材料從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率下的動態(tài)行為，其形式為:

文中TC4 材料模型采用的J－C 模型［7］為(8)，鈦合金TC4 的本構(gòu)方程參見(9)設(shè)置。［7］

2.2 摩擦模型

文章采用粘結(jié)—滑移摩擦模型，在滑移摩擦區(qū)，摩擦剪切應(yīng)力可用庫侖摩擦定律τc= μσn計算;通常在粘結(jié)摩擦區(qū)摩擦剪切應(yīng)力τc等于工件材料的剪切強度τs，其表達式如公式(10)。

(10)中:τc為摩擦剪切應(yīng)力，σn為正應(yīng)力，τs為材料剪切屈服強度，μ 為摩擦系數(shù)。

通常在粘結(jié)摩擦區(qū)粘結(jié)摩擦力所占比例較大，目前在模擬金屬切削時，常用修正的庫倫摩擦模型［8］如(11)。

2.3 預(yù)處理設(shè)置

(1)仿真基本參數(shù)設(shè)置

切削模式:車削，單位標(biāo)準(zhǔn)SI;環(huán)境溫度20℃，切削條件為干切削，熱傳導(dǎo)率為0.02N/s. mm. ℃;設(shè)置平均摩擦系數(shù)μ = 0.6 和“刀－工”熱傳導(dǎo)系數(shù)0.4N/s·mm·℃。［9］

(2)刀具的設(shè)定

DNMA432 型YG 硬質(zhì)合金刀片，考慮TC4 鈦合金的特點，設(shè)定刀具前角γ0=50，后角α0=100定義刀具35000 個網(wǎng)格。

(3)工件的設(shè)定

材料Ti6Al4V，工件屬性為塑性體，毛坯直徑為Φ50mm，工件表面劃分網(wǎng)格數(shù)60000 個，彎曲角度20°。

(4)設(shè)置模擬條件

存儲增量為每25 步存儲一次，總共計算步數(shù)1000 步，切削終止角度為20°，刀具磨損系數(shù)a=1×10－6，b=850。

(5)檢查參數(shù)設(shè)置，生成數(shù)據(jù)文件

生成數(shù)據(jù)文件格式為. DB，完成前置處理計算后即可查看模擬結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 切削速度νc 顯著影響切削溫度

分別選擇切削速度為20m/min、60m/min、100m/min、 140m/min、 180m/min、 220m/min、240m/min、260m/min，保持被吃刀量ap=0.8mm、進給量為f =0.3mm/rev 進行仿真切削模擬。如圖1，切削速度為vc= 100m/min，背吃刀量ap=0.8mm 與進給量f=0.3mm/rev 的主切削力Fy、進給力Fx、吃刀抗力Fz的變化曲線。利用Excel 數(shù)據(jù)處理，計算在中間500 個計算步數(shù)內(nèi)的不同切削速度時Fy、Fx、Fz的平均值。如圖2，根據(jù)Fy、Fx、Fz的各切削力平均值繪制以切削速度為自變量，各個切削分力平均值為函數(shù)的變化曲線圖。

圖1 切削分力—步長曲線vc =100m/min ap =0.8mm f=0.3mm/min

在切削速度(20－60)m/min 隨著切削速度的增加，主切削力Fy在不斷增大。當(dāng)切削速度νc達到60m/min 左右時主切削力達到最大，而且比進給力Fx、吃刀抗力Fz大的多。當(dāng)切削速度達到100m/min 時，主切削力Fy減到最小，近似符合Salomon 假說中關(guān)于切削力的變化規(guī)律是一致的，與前面的理論分析相符合。當(dāng)切削速度大于100m/min 以上時，各個切削分力在一定范圍內(nèi)波動，總體趨于穩(wěn)定，所以高速切削鈦合金時切削速度對切削力的影響較小。

圖2 Vc—Fx Fy Fz 曲線

圖3 Vc—F 曲線

如圖3，切削總力隨切削速度的變化曲線圖。因為TC4 是粘塑性材料，在摩擦過程中粘結(jié)現(xiàn)象比較明顯，在實際低速切削TC4 范圍內(nèi)中，晶格不斷剪切滑移變形，加工硬化嚴(yán)重，切削力自然上升，在刀刃附近應(yīng)力集中明顯，切削力逐漸變大。在高速區(qū)隨著切削速度的不斷增加切削溫度上升，特別再在切削范圍內(nèi)(＞100m/min)由于切削溫度較高加工軟化因素占主導(dǎo)，提高刀具與工件的相對硬度比，所以切削力下降。刀具磨損加劇，此時容易形成鋸齒狀切屑，切削力呈周期變化且頻率很高、波動很大。高速切削鈦合金時容易形成鋸齒狀切屑，從圖2 看出隨著切削速度的提高鋸齒化程度越嚴(yán)重，直到形成分離的單元切屑。由于切屑與前刀面的接觸、分離、卷曲或斷裂所以切削力在一定范圍內(nèi)高頻波動振蕩，進入穩(wěn)態(tài)切削后并總體趨于穩(wěn)定或者有下降趨勢。

3.2 進給量f 對切削溫度的影響

在進給量分別為0.1mm/rev、0.3mm/rev、0.5mm/rev、0.7mm/rev、1.0m/rev 時，保持切削速度vc=100m/min、背吃刀量ap=0.8mm 不變的情況下進行切削仿真，相關(guān)數(shù)據(jù)處理同上。如圖4所示，仿真實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后繪制切削分力的曲線圖，從圖看出進給量—切削力曲線近似呈直線。如圖5 所示，不同進給量下切削總力隨著進給量變化的曲線，驗證仿真結(jié)論與切削理論較為符合。

隨著進給量的增加，主切削力Fy、吃刀抗力Fz、進給力Fx都在增加，因為進給量與切削面積成正比，切削面積增大切屑變形抗力、摩擦抗力都會增大，所以切削總力增大，切削總力與進給量近似呈線性關(guān)系。

圖4 f—Fx Fy Fz 曲線

圖5 f—F 曲線

3.3 切削深度ap 對切削溫度的影響

在切削深度分別為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.5mm、1.8mm、2.2mm、2.5mm 時，切削速度vc=100m/min、進給量f =0.3mm/rev 保持恒定不變的切削過程。如圖6，根據(jù)仿真結(jié)果繪制出不同切削深度下各個切削分力的變化曲線。

隨著切削深度的增大，切削深度對主切削力Fy影響較大，近似正比關(guān)系，而且αp—Fy曲線的斜率先是逐漸增大而后減小的趨勢，可能與切削深度增加導(dǎo)致切削溫度上升軟化作用有關(guān)。在ap=0.2－0.8 范圍內(nèi)，隨切削深度的增大進給力Fx緩慢增大，當(dāng)進給量增大到一定值時例如ap＞0.8 以上，進給力會出現(xiàn)突然快速增大，可能是切屑太厚或者刀具磨損嚴(yán)重的原因;吃刀抗力Fz則隨切削深度的增大也呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。如圖7，從圖看出ap－F 近似直線，切削總力F 與被吃刀量ap近似呈線性關(guān)系，驗證仿真結(jié)論與切削理論較為符合。

在高速切削TC4 產(chǎn)生一定誤差，如由于溫度的上升，工件與刀具的物理、化學(xué)、力學(xué)性能、刀具的磨損或仿真誤差、慣性力、摩擦系數(shù)的動態(tài)變化等的影響作用不可忽視。

圖6 ap—Fx Fy Fz 曲線

圖7 ap—F 曲線

4 結(jié)論

通過理論分析和使用DEFORM－3D 分析軟件有效地模擬了TC4 的切削過程，分析了切削力隨切削用量的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論:

(1)研究了切削速度vc、進給量f、背吃刀量αp對Fx、Fy、Fz與切削總力F 影響趨勢，并得出結(jié)論與理論預(yù)測的比較吻合。

(2)在切削速度較小時 (νc= 20－60mm/min)，切削力隨切削速度上升而增大;高速時(νc＞60－100mm/min)切削力下降并趨于趨于波動相對較小的穩(wěn)態(tài)，近似符合Salomon 假說中關(guān)于切削力的變化規(guī)律。

(3)隨著進給量的增加，主切削力Fy、吃刀抗力Fz、進給力Fx都在增加，因為進給量與切削面積成正比，切削面積增大切屑變形抗力、摩擦抗力都會增大，所以切削總力增大，切削總力與進給量f 近似呈線性關(guān)系。

(4)切削深度對主切削力Fy影響較大，近似正比關(guān)系，而且αp－Fy曲線的斜率先是逐漸增大而后減小的趨勢，切削總力F 與被吃刀量ap近似呈線性關(guān)系。

(5)通過理論分析與仿真研究表明:切削力與切削深度、進給量f 成正比。在切削速度較大時，大的背吃刀量和進給量意味著巨大的切削力。因此，剛性差的薄壁工件在高速切削鈦合金宜采用較高的切削速度、低進給量和背吃刀量的方式進行切削加工，兼顧生產(chǎn)效率與合理的切削力、切削溫度和刀具使用壽命。

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