鈦合金Ti6Al4V高速銑削三維有限元仿真分析*

陳國(guó)三，黃曉華，陳龍高，董松江，馮　暢，王　立

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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鈦合金Ti6Al4V高速銑削三維有限元仿真分析*

陳國(guó)三，黃曉華，陳龍高，董松江，馮暢，王立

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

文章基于有限元分析軟件ABAQUS,針對(duì)鈦合金Ti6Al4V的高速銑削過(guò)程，建立了更加真實(shí)的三維有限元模型，模擬出切屑的形成過(guò)程，得到了銑削過(guò)程的應(yīng)力分布云圖、銑削溫度分布云圖以及銑削力曲線，并通過(guò)銑削力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立有限元模型的正確性。最后基于該有限元模型研究了不同切削參數(shù)下銑削力的變化規(guī)律，結(jié)果表明：銑削力隨著軸向切深ap，徑向切深ae，每齒進(jìn)給量fz的增大而增大，但各參數(shù)對(duì)進(jìn)給力Fx影響最大，徑向力Fy次之，對(duì)軸向力Fz影響最小。而隨著切削速度vc的增大銑削力變化很小。其中對(duì)銑削力影響主次順序是：軸向切深ap>每齒進(jìn)給量fz、徑向切深ae>切削速度vc。

鈦合金;高速銑削;三維有限元;銑削力;仿真

0　引言

鈦合金材料以強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性而廣泛應(yīng)用于航空航天零件材料，然而鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性大、彈性模量小易回彈、易產(chǎn)生切削振動(dòng)等特點(diǎn)使其成為典型的難加工材料，其中大的切削力是切削過(guò)程突出特點(diǎn)之一[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金切削進(jìn)行了積極的研究。天津大學(xué)的趙新鵬[3]針對(duì)不同的切削用量對(duì)高速切削鈦合金Ti6Al4V的切削力進(jìn)行了分析。南京航空航天大學(xué)的曹自洋[4]通過(guò)有限元數(shù)值模擬，仿真了高速切削Ti6Al4V合金的鋸齒狀切屑形成過(guò)程。美國(guó)Ohio州立大學(xué)Altan[5]在二維正交切削和三維斜角切削有限元模擬方面進(jìn)行了最為系統(tǒng)的研究。S.B.Yang[6]等對(duì)置氫條件下車(chē)削鈦合金的切屑形成過(guò)程及切削力的變化情況進(jìn)行了研究。Guang Chen[7]等基于延性破壞模型研究了在不同切削條件下高速切削鈦合金Ti6Al4V切屑的形態(tài)。

然而以上分析都對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化與理想化。為此本文基于有限元仿真軟件ABAQUS建立了更加真實(shí)的高速銑削三維有限元模型模擬鈦合金Ti6Al4V的復(fù)雜銑削過(guò)程，模型包括實(shí)際的刀具形狀，材料的本構(gòu)模型和材料損傷模型。對(duì)銑削過(guò)程切屑的形成、銑削力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

1　有限元模型的建立

1.1材料本構(gòu)模型的選擇

銑削過(guò)程涉及高溫、大應(yīng)變和高應(yīng)變率，需要一種能夠描述該情況下應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度關(guān)系的本構(gòu)模型。目前研究中常用的本構(gòu)模型有[8]:Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Follansbee-Kocks模型和Bodner-Partom模型。在這些模型中，Johnson-Cook適用于高溫、高應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，而且在數(shù)值分析中可以很大程度的降低計(jì)算量，因此得到了廣泛應(yīng)用。本文在研究時(shí)也采用了這種模型，Johnson-Cook模型的具體形式為：

表1　Johnson-Cook 模型參數(shù)

1.2材料失效去切屑分離準(zhǔn)則

有限元分析軟件ABAQUS提供了多種材料失效準(zhǔn)則，其中Johnson-Cook剪切失效準(zhǔn)則綜合考慮了應(yīng)力、應(yīng)變率、溫度的影響，當(dāng)材料的失效參數(shù)ω>1時(shí)，產(chǎn)生斷裂破壞，材料發(fā)生失效。失效參數(shù)的定義如下：

1.3有限元模型的建立

為了提高效率，降低計(jì)算量，本章僅針對(duì)切削區(qū)域建立工件模型，銑削方式為干式順銑，設(shè)定刀具沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿X軸進(jìn)給，以此模擬螺旋立銑刀單齒銑削過(guò)程，如圖1所示，被加工的材料為鈦合金Ti6Al4V。在銑削過(guò)程中，對(duì)材料的底部和側(cè)面進(jìn)行完全自由度約束。模擬中刀具為整體式硬質(zhì)合金螺旋立銑刀，其幾何參數(shù)如表2所示，且視其為剛體。刀具和工件均采用了八結(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元C3D8RT，并進(jìn)行沙漏控制。定義完成的銑削模型如圖2所示。

表2　銑刀的幾何參數(shù)

圖1　工件材料簡(jiǎn)化模型

圖2　三維銑削有限元模型

2　有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1有限元模擬結(jié)果

通過(guò)有限元模擬得到了不同時(shí)刻應(yīng)力場(chǎng)分布云圖如圖3所示，仿真所采用的銑削參數(shù)vc=180m/min,fz=0.1mm/z,ap=2mm,ae=0.6mm。從圖3可以看出，隨著刀齒的切入，工件上最大應(yīng)力點(diǎn)隨著刀刃不斷移動(dòng)，切削最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第Ⅰ變形區(qū),約為1334MPa。

(a)0.13ms　　　　　　　　(b)0.32ms

(c)0.65ms　　　　　　　　(d)1.1ms

圖4為切削過(guò)程不同時(shí)刻切屑的溫度分布云圖，可以看出溫度最大值出現(xiàn)在第Ⅱ變形區(qū)，當(dāng)?shù)毒咛幱谄椒€(wěn)切削狀態(tài)時(shí)溫度達(dá)到最高，約為557.2℃。同時(shí)可以看到工件加工部位溫度并不高，大部分熱量被切屑帶走。圖5所示是銑削過(guò)程X、Y、Z三個(gè)方向的銑削力變化情況，其中Fx為進(jìn)給力，F(xiàn)y為徑向力，F(xiàn)z為軸向力。第一階段如圖3a，刀具與切屑剛剛接觸，對(duì)應(yīng)的切削力逐漸增大；第二階段如圖3c,刀具與切屑達(dá)到最大接觸狀態(tài)，此時(shí)切削力最大；第三階段如圖3d，隨著刀齒的進(jìn)給，切削厚度逐漸減小，直至刀具與切屑分離，切削力也逐漸降低。

(a)0.13ms　　　　　　　　　(b)0.27ms

(c)0.69ms　　　　　　　　　 (d)1.15ms

圖5　切削力變化曲線

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型對(duì)切削力模擬的準(zhǔn)確性，采用了模擬中同樣規(guī)格參數(shù)的銑刀在XSM600高速銑削加工中心對(duì)Ti6Al4V工件進(jìn)行測(cè)銑削力實(shí)驗(yàn)。采用YDX-III9702型壓電式測(cè)力儀測(cè)量銑削力。銑削參數(shù)vc=180m/min，fz=0.1mm/z，ap=2mm，ae=0.6mm，銑削方式為干式順銑?，F(xiàn)場(chǎng)加工如圖6所示。由表3可知，模擬值與試驗(yàn)值的最大誤差小于14%，考慮到仿真中條件的理想化所帶來(lái)的誤差，因此可以認(rèn)為有限元模型正確，可用于銑削力的仿真。

圖6　測(cè)銑削力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

項(xiàng)目進(jìn)給方向Fx(峰值)徑向方向Fy(峰值)軸向方向Fz(峰值)模擬值(N)1444978試驗(yàn)值(N)1294371誤差11.6%14.0%9.9%

3　銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響分析

采用所建立的三維有限元模型進(jìn)行不同銑削參數(shù)下切削力的仿真，仿真參數(shù)如表4所示。

表4　仿真模擬參數(shù)

圖7　不同銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

4　結(jié)論

(1)本文建立了更加真實(shí)的三維有限元模型，模擬得到高速銑削鈦合金切屑形成過(guò)程，模擬發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第Ⅰ變形區(qū)，切削區(qū)溫度最大值出現(xiàn)在第Ⅱ變形區(qū)，切削過(guò)程中切屑帶走大部分熱量。

(2)基于此有限元模型，仿真得到切削力的變化曲線，揭示了銑削過(guò)程銑削力的變化規(guī)律，銑削力試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較為一致，證明了該有限元模型仿真銑削力的正確性；對(duì)不同銑削參數(shù)下的最大銑削分力進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：銑削力隨著軸向切深ap，徑向切深ae，每齒進(jìn)給量fz的增大而增大，但各參數(shù)對(duì)最大銑削分力的影響存在差異，對(duì)Fx的影響最大，其次是Fy，對(duì)Fz影響最小。切削速度vc對(duì)銑削力的影響很小。其中對(duì)切削力影響最大的是軸向切深ap，其次是每齒進(jìn)給量和徑向切深，影響最小的是切削速度vc。分析結(jié)果為高速銑削鈦合金Ti6Al4V的加工工藝參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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(編輯趙蓉)

FEM Simulation and Analysis for Three-dimensional Milling Process of Titanium Alloy Ti6Al4V

CHEN Guo-san,HUANG Xiao-hua,CHEN Long-gao,DONG Song-jiang,FENG Chang,WANG Li

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

In this paper, a more real 3D finite element model for high speed milling Ti6Al4V alloy workpiece which was established by finite element software ABAQUS, which simulated the process of chip formation, the stress distribution, milling temperature distribution and milling force curve. Besides, a milling experiment were carried out which confirms the correctness of the finite element model. Finally, It was focused to study the effects of different cutting parameters on the milling force based on the finite element model. Results of the study show that the milling force increase with the increase of axial depth, radial depth and feed per tooth. But the greatest impact of parameters on milling force is feed forceFx,then radial forceFy,with minimal impact is axial forceFz,but with the increasing of cutting speed, the milling force changes very little．The order of the influence of milling force is axial depth > feed per tooth and radial depth > and the cutting speed.

titanium alloy; high speed machining; 3D finite element; cutting force; simulation

1001-2265(2016)04-0043-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.012

2015-05-30；

2015-08-14

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2010ZX04014-051)

陳國(guó)三(1988—)，男，安徽六安人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楦咚偾邢骷庸け”诩夹g(shù)，(E-mail)1343096327@qq.com。

TG506;TH16

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