鈦合金Ti6Al4V高速銑削分析與仿真*

陸 濤，向國齊，張敬東

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039；2.攀枝花學(xué)院 a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花 617000）

鈦合金Ti6Al4V高速銑削分析與仿真*

陸 濤1，向國齊2a，張敬東2b

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039；2.攀枝花學(xué)院 a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花 617000）

鈦合金廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但由于本身特性決定其加工難度大，如何提高切削加工的質(zhì)量以及效率是制造技術(shù)業(yè)中迫切需要解決的難題。以鈦合金Ti6Al4V為分析對象，選用有限元分析的Johnson-Cook本構(gòu)模型對鈦合金進(jìn)行切削模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過仿真結(jié)果可以比較直觀看到切削過程中應(yīng)力應(yīng)變、溫度場、切削力等物理量在切削過程中的分布和變化。通過仿真模擬分析試驗(yàn)，為實(shí)際生產(chǎn)加工工藝過程提供參考，提高加工工藝精確度，縮短生產(chǎn)周期，降低成本奠定基礎(chǔ)。

J-C模型；有限元模擬；應(yīng)力應(yīng)變；切削力

0 引言

鈦合金材料具有強(qiáng)度高、耐磨性好、抗高溫蠕變能力強(qiáng)、綜合力學(xué)性能好等特性，在車輪、車軸、軸承、閘瓦等關(guān)鍵零部件方面體現(xiàn)了鈦的特性，因而應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，具有很大的市場潛力，同時(shí)也是鋼鐵和機(jī)械制造業(yè)的重大研究課題。同時(shí)，鈦合金材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、比強(qiáng)度高、化學(xué)活性大、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，屬于難加工材料，其材料性能與其機(jī)械加工性能的匹配方面尚需大量的實(shí)驗(yàn)論證。但影響鈦合金切削加工的因素很多，涉及材料力學(xué)、機(jī)械制造、溫度場等多個(gè)學(xué)科和專業(yè)的交叉是加工領(lǐng)域的難題，因此國內(nèi)外很多學(xué)者對鈦合金切削加工做了各種詳細(xì)的分析。

Velasquez［1］對高速加工鈦合金中獲得的切屑進(jìn)行了冶金學(xué)分析，在任意速度下的所有切屑中都觀察到了鈦的β相，在剪切帶沒有發(fā)現(xiàn)相變；Ozel［2］等在切屑形成上使用了動(dòng)態(tài)網(wǎng)格重劃分技術(shù)。陳建嶺［3］構(gòu)建了鈦合金銑削加工中考慮刃口犁耕效應(yīng)的三維銑削力學(xué)模型，構(gòu)建了適合高速銑削范圍的銑削力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型；蔡玉俊等［4］采用J-C模型以及斷裂準(zhǔn)則模擬高速切削淬硬鋼鋸齒狀切屑形態(tài)并討論刀具前角和鋸齒狀切屑形態(tài)對切削力的影響；崔曉斌［5］等分析了陶瓷刀具車削淬硬剛的切削力和切削溫度；袁躍峰［6］等針對鈦合金加工中的刀具磨損仿真預(yù)測建立了綜合考慮磨料磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損的仿真模型。目前從國內(nèi)外切削模擬仿真研究狀況可知，有限元模擬研究技術(shù)還不夠成熟，不能準(zhǔn)確、全面反映實(shí)際加工過程［1-6］，因此針對工件及刀具材料合理選擇；切削參數(shù)選擇；降低加工成本等問題是切削仿真研究學(xué)者的研究目標(biāo)。本文內(nèi)容是在前人研究基礎(chǔ)上通過abaqus有限元軟件構(gòu)建金屬切削模型模擬高速切削加工，并對切削過程中應(yīng)力應(yīng)變、溫度場及切削力結(jié)果進(jìn)行分析，得出各物理量變化原因，為實(shí)際生產(chǎn)加工奠定基礎(chǔ)。

1 鈦合金切削加工模型參數(shù)

Johnson-Cook模型是一種應(yīng)用于大應(yīng)變、高應(yīng)變速率、高溫變形的本構(gòu)模型，而且可應(yīng)用于各種晶體結(jié)構(gòu)。Ti6Al4V的組織類型為馬氏體型態(tài)，所以選擇Johnson-Cook模型作為本構(gòu)模型。設(shè)A為準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服強(qiáng)度；B為極限強(qiáng)度；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率敏感系數(shù)；m為溫度敏感系數(shù)；Tr為參考熱力學(xué)溫度；Tm為熔點(diǎn)熱力學(xué)溫度；σ為屈服應(yīng)力；ε為應(yīng)變；ε′為應(yīng)變率；ε0為參考應(yīng)變率，其一般形式為［7］；

Johnson-Cook模型的5個(gè)模型參數(shù)［8］，如表1所示。

表1 Ti6Al4V的5個(gè)模型參數(shù)

賦予鈦合金Ti6Al4V的材料特性參數(shù)，包括密度、彈性模量、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容，泊松比為一常數(shù)0.34，如表2所示。

表2 鈦合金Ti6A l4V的材料特性參數(shù)

2 建模

2.1 幾何模型

建立正交切削有限元幾何模型，工件加工區(qū)域尺寸a=50mm，b=20mm，刀具前角為10°，后角為6°，切削刃鈍圓半徑rn為0.001mm。由于盡量避免刀具過快磨損，選擇刀具材料的硬度比工件材料的硬度要大很多，在建立幾何模型時(shí)將刀具看作剛體，工件為柔性體。正交切削工件與刀具幾何模型如圖1所示。

圖1 工件與刀具幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分模型

由于高溫切削過程中會(huì)受到切削熱的影響，工件網(wǎng)格劃分采用CPE4RT單元（平面四邊形四節(jié)點(diǎn)縮減應(yīng)變熱耦合，減少集成及沙漏現(xiàn)象），其工件網(wǎng)格劃分模型如圖2所示，節(jié)點(diǎn)7776個(gè)，網(wǎng)格單元8311個(gè)，刀具為剛體未進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 工件網(wǎng)格劃分及工件刀具裝配模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力場分析

圖3、圖4和圖5是采用有限元軟件ABAQUS對高速切削鈦合金Ti6Al4V進(jìn)行有限元模擬得到真實(shí)應(yīng)力分布圖、主應(yīng)力分布圖和應(yīng)力曲線變化圖。如表3為數(shù)值模擬銑削工藝參數(shù)（仿真結(jié)果均以V=3m/s）。

由圖3分析可知，真實(shí)應(yīng)力最大值主要集中在第Ⅰ變形區(qū)［11］和刀尖附近，而在遠(yuǎn)離刀尖其他區(qū)域的應(yīng)力值要小得多，工件由于受嚴(yán)重的塑性剪切變形而生成切屑，塑性流動(dòng)在切屑起始彎曲部分的值最大，位于兩端的值則逐漸減小。由圖4分析可得，最大主應(yīng)力在切屑彎曲處即刀尖與切屑接觸分離處的值最大，在工件中刀尖前端受壓應(yīng)力而在刀尖附近及后端受拉應(yīng)力。圖5為切削時(shí)工件與刀尖任意接觸點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)7282）整個(gè)切削過程應(yīng)力隨時(shí)間曲線變化圖，Ⅰ表示切削開始時(shí)塑性應(yīng)變硬化超過熱軟化及受切削震動(dòng)，應(yīng)力值增大；Ⅱ表示塑性應(yīng)變硬化與熱軟化保持平衡，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定狀態(tài)；Ⅲ表示由于熱軟化超過應(yīng)變硬化，即發(fā)生熱塑性失穩(wěn)，應(yīng)力值呈下降趨勢。

表3 數(shù)值模擬工藝參數(shù)

圖3 真實(shí)應(yīng)力分布圖

圖4 最大主應(yīng)力圖

圖5 時(shí)間—應(yīng)力曲線變化圖

3.2 應(yīng)變場分析

圖6為塑性應(yīng)變分量PE22，圖7為等效塑性應(yīng)變PEEQ，圖8為等效應(yīng)變曲線變化圖。塑性應(yīng)變指用來確定材料經(jīng)外力作用后引起形變的物理量，而塑性應(yīng)變分量是其中一個(gè)方向的變量，塑性應(yīng)變包括9個(gè)分量。等效塑性應(yīng)變是整個(gè)塑性應(yīng)變絕對值之和。

由圖6分析可得，對于塑性應(yīng)變分量，由于切屑受到壓力和摩擦力的影響，所以在刀尖處切屑的塑性應(yīng)變值要比其他部分的切屑塑性應(yīng)變值大。由圖7分析得，對于等效塑性應(yīng)變而言，如果PEEQ＞0則表明材料發(fā)生屈服，在工程加工中，一般塑性應(yīng)變值不能超過破壞應(yīng)變值。圖8為切削時(shí)工件與刀尖任意接觸點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)7282）整個(gè)切削過程等效應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線圖，切削時(shí)受切削震動(dòng)影響應(yīng)變值逐漸增大，Ⅰ表示由于受震動(dòng)影響大，應(yīng)變值增大幅度較大；Ⅱ表示所受震動(dòng)影響小，應(yīng)變值變化幅度較小。

圖6 塑性應(yīng)變分量PE22

圖7 等效塑性應(yīng)變PEEQ

圖8 時(shí)間—等效應(yīng)變曲線變化圖

3.3 溫度場結(jié)果分析

由圖9分析可得，預(yù)測的溫度最高點(diǎn)始終在刀尖與工件接觸區(qū)域，主要是由于刀尖與工件相對滑動(dòng)速度大、壓力高，說明切屑與前刀面的摩擦是溫度升高的重要原因，而高溫會(huì)使刀具磨損增大，縮短刀具壽命，這與切削理論中切削熱的區(qū)域主要是第一變形區(qū)的剪切滑動(dòng)面和第二變形區(qū)［10］內(nèi)刀具與工件發(fā)生摩擦作用的接觸面相吻合。

圖9 溫度場變化

3.4切削力結(jié)果分析

圖10所示是切削力隨時(shí)間的變化曲線圖，在剛切削時(shí)受切削震動(dòng)切削力增加幅度大，隨后進(jìn)入塑性切削切削力減小并很快趨于穩(wěn)定，由于節(jié)點(diǎn)不斷分離，切削力不斷出現(xiàn)波動(dòng)。

4 結(jié)論

金屬切削的工作原理是工件與刀具相互作用，通過刀具將工件材料表面多余的部分切除從而獲得理想的工件［12］。結(jié)合前人研究結(jié)果表明無論從理論還是試驗(yàn)仿真，都說明金屬切削是非常復(fù)雜的加工過程，主要由于影響切削加工因素間存在耦合關(guān)系。在前人研究基礎(chǔ)上，本文利用Abaqus/Explicit有限元軟件更加完整的分析了切削過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、切削力等物理量變化情況，最終得到仿真分析結(jié)果。通過有限元軟件模擬仿真，為實(shí)際加工過程中提高生產(chǎn)效率、降低成本等奠定了基礎(chǔ)。但在模擬仿［參考文獻(xiàn)］

真過程中忽略了機(jī)械零部件精密度、機(jī)床震動(dòng)、室內(nèi)溫度等因素給加工精度帶來的影響。因此，對于如今鈦合金廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中急需解決這些問題，需要通過理論模擬與實(shí)際加工相結(jié)合，多次實(shí)驗(yàn)對比后得到更準(zhǔn)確結(jié)論，為理論模擬分析提供有力的支撐，也為實(shí)際加工提供更可靠的保障。

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Analysis and Simulation of High-Speed Milling of Titanium Alloy Ti6A l4V

LU Tao1，XIANG Guo-qi2a，ZHANG Jing-dong2b
（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China；2a.College of Resources and Environmental Engineering，Panzhihua University；b.College of Transportation and Automotive Engineering，Panzhihua University，Panzhihua Sichuan 617000，China）

；Titanium alloy is widely used in various fields，but the difficulty of its being processed is extraordinary，which can mainly be attributed to its own characters.Therefore the key question for all kinds of manufacturing is how to improve quality and efficiency.Taking titanium alloy Ti6A14V as research subject，through selecting the Johnson-Cook constitutive model of finite element research，the cutting experiment is simulated.Through the simulation results，the stress strain，temperature field，and cutting force are more intuitive saw during the cutting process in the distribution and change of.Through simulation analysis test，provided for the actual production machining process reference，improved processing accuracy，shorten the production cycle，reduced the cost to lay the foundation.

；Johnson-Cook model；finite element simulation；stress and strain；cutting force

TH16；TG501

A

1001-2265（2015）05-0149-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.042

2014-08-23

攀枝花市科學(xué)技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)局；含釩鈦微合金切削加工機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（0290100061）；四川省教育廳項(xiàng)目（13za0310）

陸濤（1988—），男，四川遂寧人，西華大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造方面的研究，（E-mail）982114363@qq.com；通訊作者；向國齊（1974—），男，四川瀘州人，攀枝花學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)槎鄬W(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化及智能機(jī)電系統(tǒng)方面的研究，（E-mail）xiangguoqi1@163.com。