切削用量對(duì)車削TC4鈦合金切削力的影響研究

胡木林

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車應(yīng)用技術(shù)系,合肥 238000)

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切削用量對(duì)車削TC4鈦合金切削力的影響研究

胡木林

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車應(yīng)用技術(shù)系,合肥 238000)

TC4鈦合金在切削加工時(shí)，切削用量的選擇直接影響著切削力的大小、刀具的磨損程度、切削溫度的變化等一系列問(wèn)題，不合理的切削用量會(huì)導(dǎo)致切削力和加工成本增大，加工質(zhì)量降低。因此，系統(tǒng)研究鈦合金材料切削時(shí)切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化選擇切削用量對(duì)于提高加工效率、控制加工質(zhì)量具有重要意義。借助于Deform-3D軟件仿真分析了切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律，在切削用量的三個(gè)參數(shù)中，切削速度對(duì)切削力的影響最小，背吃刀量和進(jìn)給量對(duì)切削力的影響較大，綜合考慮加工效率和加工質(zhì)量，車削TC4鈦合金時(shí)應(yīng)選擇相對(duì)較高的切削速度、較低進(jìn)給量和較小背吃刀量。

鈦合金；切削用量；切削力

鈦合金因具有比強(qiáng)度高(強(qiáng)度/密度)、熱強(qiáng)度高(500℃強(qiáng)度基本不變)、抗腐蝕性好、耐低溫性好(-253℃塑性不變)等一系列優(yōu)異的性能，被廣泛用于航空、海洋、軍工、醫(yī)療領(lǐng)域。[1]但也由于其導(dǎo)熱系數(shù)小(約為7.6W/(m.K))、彈性模量小(約為鋼的1/2)、化學(xué)活性大(粘著反應(yīng))等一系列特點(diǎn)使切削加工性變差，成為一種公認(rèn)的難加工材料。不合理的切削用量會(huì)導(dǎo)致切削力和切削溫度的增大，進(jìn)一步影響刀具的使用壽命，降低加工效率和加工質(zhì)量。因此，TC4鈦合金在切削加工時(shí)，切削用量的合理選擇已成為鈦合金加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)，王珉深入系統(tǒng)的研究了鈦合金銑削時(shí)刀具磨損機(jī)理，得出在低速銑削時(shí)鈦合金主要為粘結(jié)磨損，在高速銑削主要為擴(kuò)散磨損的研究結(jié)論。[2]滿忠雷等研究了基于綠色切削理念高速銑削鈦合金的單因素試驗(yàn)，得出了軸向與徑向切削深度、每齒進(jìn)給量和銑削深度對(duì)銑削力的影響規(guī)律。[3]姜增輝等研究了切削用量對(duì)車削Ti6Al4V切削力的影響，認(rèn)為進(jìn)給量對(duì)背向力的影響最大，切削深度對(duì)進(jìn)給力的影響最大。[4]陳明等研究了在高速銑削與常規(guī)銑削時(shí)Ti6A14V材料的表面完整性，得出了高速銑削是提高生產(chǎn)效率與改善表面質(zhì)量的有效途徑。[5]在國(guó)外，也開(kāi)展了鈦合金的高速銑削加工振動(dòng)等問(wèn)題的試驗(yàn)研究。德國(guó) Carl Salomon博士認(rèn)為，在高速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度的增加，切削力逐漸降低。[6]Narutaki則認(rèn)為加工鈦合金材料時(shí)，切削速度在20 m/min～200 m/min的范圍內(nèi)，隨著切削速度的增大切削力幾乎不發(fā)生變化。[7]綜觀這些研究表明，大多數(shù)為銑削鈦合金時(shí)加工表面、刀具磨損及受力狀況的研究，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)不斷發(fā)展，鈦合金的使用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。因此，系統(tǒng)的研究并分析車削TC4鈦合金時(shí)，切削用量對(duì)切削力影響規(guī)律具有重要的實(shí)際意義。由于鈦合金材料價(jià)格昂貴，采用實(shí)際車床加工實(shí)驗(yàn)研究成本較大，且通過(guò)實(shí)際車床加工測(cè)量切削力難度很大，很難獲得精確數(shù)值。在機(jī)械工程領(lǐng)域，有限元仿真軟件是一種極為常用的工程分析手段，能夠解決常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以分析獲得的物理規(guī)律。在分析金屬成形工藝過(guò)程和熱處理工藝過(guò)程的軟件中，Deform-3D仿真軟件是一套機(jī)械加工模擬軟件，常用于模擬車、銑、刨等切削加工過(guò)程，獲取刀具的受力、刀具的磨損等通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段不易獲得的切削加工信息。[8]為進(jìn)一步明確切削用量對(duì)車削TC4鈦合金切削力影響，為車削TC4鈦合金的參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。本文將基于Deform-3D軟件，對(duì)車削TC4鈦合金時(shí)切削用量對(duì)切削力的影響進(jìn)行仿真研究，系統(tǒng)分析切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律。為TC4鈦合金車削加工時(shí)，切削用量的選擇提供參考依據(jù)。

1 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 材料模型 常見(jiàn)的熱—粘塑性材料模型主要有Follansbee—Kocks、Bodner—Paton、Johnson—Cook、Zerrilli—Armstrong等四種模型。其中，F(xiàn)ollansbee—Kocks是以機(jī)械臨界應(yīng)力作為內(nèi)部變量，而且參數(shù)多，結(jié)構(gòu)方程復(fù)雜；Bodner—Paton模型也引入了多個(gè)材料參數(shù)，且將本構(gòu)模型應(yīng)變張量分為彈性和塑性兩個(gè)部分，應(yīng)用起來(lái)比較困難；Johnson—Cook和Zerrilli—Armstrong模型雖引入了材料的應(yīng)變強(qiáng)化及熱軟化參數(shù)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且Johnson—Cook適用于各種晶體結(jié)構(gòu)，Zerrilli—Armstrong模型只適用于體心立方和面心立方金屬，對(duì)于不同晶體結(jié)構(gòu)采用不同的表達(dá)式；因此，綜合考慮在Deform軟件的切削加工中最常用的流動(dòng)應(yīng)力模型選用Johnson—Cook模型，其本構(gòu)方程式[9]為：

(1)

TC4的Johnson—Cook材料模型中的5個(gè)材料特性常數(shù)如表1所示。[10]

1．2 摩擦模型

金屬在切削過(guò)程中產(chǎn)生的高應(yīng)力、高應(yīng)變率和高溫等現(xiàn)象，使得刀具與切屑之間的摩擦變得復(fù)雜。[11]其中，在前刀面接近刀尖處的產(chǎn)生的摩擦是粘著摩擦；在遠(yuǎn)離刀尖處，刀具與切屑之間的摩擦是滑動(dòng)摩擦。在滑動(dòng)摩擦區(qū)，摩擦剪切應(yīng)力τc適用于庫(kù)侖摩擦定律(公式2)；在粘著摩擦區(qū)，摩擦剪切應(yīng)力τc就等于工件材料的剪切屈服強(qiáng)度τs(公式3)。

τc=μσn,

(2)

τc(x)=τs:μσn(x)≥τ,0

τc(x)=μσn(x)<τ,lc

(3)

式中：τc——摩擦剪切應(yīng)力；σn——正應(yīng)力；μ——摩擦系數(shù)；τs——屈服強(qiáng)度。

在模擬鈦合金的正交切削時(shí)，通常采用修正的庫(kù)侖摩擦定律模型(公式4)。

τc=min[μσn,τs]。

(4)

1.3 Deform 3D軟件預(yù)處理

參數(shù)設(shè)置

加工類型單位標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度冷卻物熱傳導(dǎo)率摩擦系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)車削SI20℃0.02N/s·mm·℃0.60.4N/s·mm·℃

刀具設(shè)定

刀具類型法向后角刀尖半徑材料網(wǎng)格數(shù)550菱形000.2mmCo-WC類YG硬質(zhì)合金35000

工件設(shè)定

加工材料切削模式毛坯直徑網(wǎng)格數(shù)Ti6Al4V外圓Φ50mm60000

模擬條件

存儲(chǔ)增量計(jì)算步數(shù)切削終止角度刀具磨損系數(shù)刀具磨損系數(shù)25步1000步20°a=0.000001b=850

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 車削TC4鈦合金時(shí)切削速度νc對(duì)切削力影響分析

設(shè)定背吃刀量ap=0.8mm、進(jìn)給量f=0.3mm/r，改變切削速度仿真切削模擬，提取切削速度νc為60m/min、100m/min、140m/min、180m/min、200m/min、220m/min、240m/min、260m/min時(shí)主切削力Fy、進(jìn)給力Fx、吃刀抗力Fz的數(shù)值(如圖1，νc=100m/min時(shí)部分?jǐn)?shù)值)。模擬加工后，計(jì)算在300步數(shù)內(nèi)的不同切削速度時(shí)Fy、Fx、Fz的平均值，畫(huà)出以切削速度νc為自變量，F(xiàn)x、Fy、Fz各個(gè)切削分力平均值為函數(shù)的變化曲線圖(如圖2)。

圖1 vc=100m/min Fx、Fy、Fz部分模擬數(shù)據(jù)

圖2 切削速度對(duì)切削力的影響

從圖2可知，車削TC4鈦合金時(shí)，隨著切削速度νc的不斷變化，主切削力Fy也隨之發(fā)生變化。當(dāng)切削速度νc達(dá)到60m/min時(shí)主切削力Fy達(dá)到最大；當(dāng)切削速度νc達(dá)到100m/min時(shí)，主切削力Fy減到最小；當(dāng)切削速度νc大于100m/min以上時(shí)，F(xiàn)x、Fy、Fz均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)隨著vc的增大對(duì)切削力的影響較小，總體趨于穩(wěn)定。根據(jù)切削理論，在高速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度νc的上升，剪切角φ增大，摩擦系數(shù)μ減小，變形系數(shù)ξ減小，剪切力下降，因而切削力減??；但在高速切削時(shí)隨著切削速度νc的不斷增加，切屑力慣性力Fm會(huì)逐漸增大，此消彼長(zhǎng)，總體導(dǎo)致切削力的數(shù)值基本穩(wěn)定。在低速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度νc的不斷增加，切削溫度上升、刀具磨損加劇、加工硬化嚴(yán)重，切削力逐漸上升，切削力波動(dòng)較大。[12]

2.2 車削TC4鈦合金時(shí)背吃刀量αp對(duì)切削力的影響分析

設(shè)定切削速度vc=100m/min、進(jìn)給量f=0.3mm/r的實(shí)驗(yàn)條件，分別設(shè)定背吃刀量αp為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.5mm、1.8mm、2.2mm和2.5mm進(jìn)行仿真切削。整理記錄Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(如表2)。并繪制出車削TC4鈦合金時(shí)不同背吃刀量αp下Fx、Fy、Fz和總切削力F變化曲線(如圖3)。

表2 不同αp下Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(vc=100m/min f=0.3mm/r )

(a) ap對(duì)Fx、Fy、Fz的影響

b) ap對(duì)切削合力F的影響

圖3vc=100m/minf=0.3mm/r時(shí)ap對(duì)切削力的影響

從圖可知，車削TC4鈦合金時(shí)，隨著背吃刀量αp的增大，F(xiàn)x、Fy、Fz均逐漸增大，其中對(duì)Fy影響最為突出，近似呈正比例關(guān)系，在αp—Fy曲線中，隨著背吃刀量αp的增大，切削溫度的逐漸上升，材料的軟化導(dǎo)致曲線的斜率出現(xiàn)由大變小的趨勢(shì)。當(dāng)ap取在0.2mm-0.8mm之間時(shí)，隨著αp的增大，F(xiàn)x緩慢逐漸增大，當(dāng)ap>0.8mm時(shí)，由于切屑太厚或者刀具磨損加劇等原因使Fx出現(xiàn)突然快速增大；在整個(gè)切削加工過(guò)程中Fz隨αp的增大也呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。在切削TC4鈦合金的過(guò)程中，隨著背吃刀量αp的不斷增大，F(xiàn)x、Fy、Fz均出現(xiàn)增大，因此總切削力也隨著αp的增大而增大。

2.3 車削TC4鈦合金時(shí)進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響分析

保持切削速度vc=100m/ min、背吃刀量ap=0.8mm不變的情況下，分別選取進(jìn)給量f為0.1mm/r、0.3mm/r、0.5mm/r、0.7mm/r、1.0mm/r時(shí)進(jìn)行切削仿真，整理記錄Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(如表2)。并繪制出車削TC4鈦合金時(shí)不同進(jìn)給量f下Fx、Fy、Fz和總切削力F變化曲線(如圖4)。

表3 不同f下Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(vc=100m/min ap =0.8mm )

(a)f對(duì)Fx、Fy、Fz的影響

(b)f對(duì)切削合力F的影響

圖4 vc=100m/min ap=0.8mm時(shí)f對(duì)切削力的影響

從圖可知，車削TC4鈦合金時(shí),當(dāng)其他切削條件不變時(shí)，隨著進(jìn)給量f的增加，F(xiàn)x、Fy、Fz均在增加，總切削力F與進(jìn)給量f近似呈線性關(guān)系。根據(jù)金屬切削原理，切削面積與進(jìn)給量成正比關(guān)系，隨著進(jìn)給量f的增加，切削面積逐漸增大，切屑變形抗力、摩擦抗力均隨著切削面積的增加而增大，進(jìn)一步引起主切削力Fy、吃刀抗力Fz、進(jìn)給力Fx增加，最終導(dǎo)致總切削力增大。[13]

3 結(jié) 論

借助Deform-3D軟件，對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行了車削加工研究，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析了車削鈦合金TC4時(shí)切削用量的對(duì)切削力的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)車削TC4鈦合金時(shí)，隨著切削速度νc的增加，主切削力Fy不斷變化。在低速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度νc的不斷增加，切削力逐漸上升，波動(dòng)較大。在高速切削時(shí)剪切力Fs與慣性力Fm綜合矛盾作用，切削力總體穩(wěn)定并略有下降趨勢(shì)。

(2)車削TC4鈦合金時(shí)，切削力F與背吃刀量αp成正比。當(dāng)其他切削條件一定時(shí)，隨著背吃刀量αp的增大，切削力呈線性關(guān)系增大。

(3)車削TC4鈦合金時(shí)，切削力F與進(jìn)給量f成正比，當(dāng)其他切削條件一定時(shí)，隨著進(jìn)給量f的增大，切削力逐漸增大。

(4)充分考慮生產(chǎn)效率、切削力、切削溫度等加工因素，在車削TC4鈦合金時(shí)宜采用較高的切削速度[14]vc、較低進(jìn)給量f和較小背吃刀量ap。

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[責(zé)任編輯:李 軍]

Analysis on Effects of Cutting Parameters upon Cutting Force in TC4 Titanium Alloy Turnery

HU Mu-lin

(Department of Automotive Application Technology,Hefei Hefei Vocational and Technical College,Hefei 238000,China)

In the process of TC4 titanium alloy cutting, the choice of cutting parameters directly affects a series of issues, like the cutting force, tool wear level and the changes of cutting temperature. The unreasonable cutting parameters may lead to the increase of cutting force and the processing cost, and the decrease of processing quality. Therefore, the systematic research on the affecting regularity of cutting parameters on cutting force during the cutting of titanium alloy materials and then the optimized choice of cutting parameters will be of great significance for improving processing efficiency and controlling processing quality.With the help of Deform-3D simulation software, the paper analyzes the affecting regularity of cutting parameters on cutting force. Among the three cutting parameters, the cutting speed takes a minimum effect, while the back engagement of cutting edge and load take the maximum. Considering the processing efficiency and quality, TC4 titanium alloy turnery should choose a relatively high cutting speed, less feed amount and less back engagement of cutting edge.

titanium alloy; cutting parameter; cutting force

2016-02-26

2016-06-09

安徽省高職高專模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目(2013zy161)階段性成果。

胡木林(1982—)，男，安徽舒城人，合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車應(yīng)用技術(shù)系講師，碩士；研究方向：機(jī)械CAD/CAM。

TH 164

A

2096-2371(2016)04-0110-05