永磁電機轉(zhuǎn)子護套用高溫合金Inconel625切削性能仿真與試驗研究

岳彩旭，黃 翠，劉二亮

（哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

永磁電機轉(zhuǎn)子護套用高溫合金Inconel625切削性能仿真與試驗研究

岳彩旭，黃 翠，劉二亮

（哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

本文針對高速永磁電機轉(zhuǎn)子保護材料鎳基高溫合金Inconel625的切削性能展開研究。采用仿真軟件DEFORM-3D建立了該材料的三維有限元仿真模型，仿真模型采用了Johnson-Cook模型、Usui刀具磨損模型等關(guān)鍵技術(shù)。通過仿真得到了切削過程中切削力的變化趨勢、溫度場的分布特性、刀具磨損、切屑形狀等。在結(jié)合試驗分析的基礎(chǔ)上，得到了切削參數(shù)對切削力、切削溫度、刀具磨損的影響規(guī)律。研究結(jié)果對Inconel625合金車削過程切削條件的合理選擇和刀具使用壽命的提高提供了理論依據(jù)，為深入研究Inconel625合金切削機理提供了理論依據(jù)。

Inconel625；切削性能；有限元仿真；刀具磨損

0 前言

高速永磁電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達十幾萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子受離心力作用非常大，且工作溫度較高，因此，通常采用轉(zhuǎn)子護套對轉(zhuǎn)子進行保護。轉(zhuǎn)子表面護套常采用機械強度高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、熱導(dǎo)率較高的材料，常用的護套材料如碳纖維、Inconel系列高溫合金以及鈦合金等[1]。與復(fù)合材料相比，高溫合金在熱穩(wěn)定性、熱強性和散熱能力等方面上具有較為明顯的優(yōu)勢[2]。Inconel625（相近牌號GH3625、GH625）鎳基高溫合金是以Mo、Nb為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，在高溫下仍能保持其優(yōu)良的綜合機械性能，較為適合用作高速永磁電機的轉(zhuǎn)子保護材料[3]。鎳基高溫合金在切削加工過程中具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重、加工硬化傾向大、不易斷屑等加工特點，從而使得其切削加工的難度大大增加，屬于典型的難加工材料之一[3]。因此對Inconel625合金的切削過程進行深入研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者對該類合金進行了很多的研究，其中包括熱變形行為特征、材料損傷機理、加工工藝和LAMM加工等方面，為難加工材料鎳基高溫合金的加工問題提供了有效的解決措施，并為其切削研究提供了大量的理論依據(jù)及技術(shù)支持。國外學(xué)者R.Ramanujam等在Inconel625干式車削中結(jié)合模糊函數(shù)和正交實驗設(shè)計的混合方法，以最小表面粗糙度、最小能耗以及最大的材料去除率為指標對加工參數(shù)進行了優(yōu)化[4]。M.Hokka等利用試驗獲得的J-C材料本構(gòu)模型建立了625鎳基高溫合金正交切削仿真模型，并進一步修正了625合金的本構(gòu)模型。雖然仿真很好的模擬了切屑分離和鋸齒狀切屑的生成，但仿真結(jié)果中的切削應(yīng)力和切屑形狀與實驗結(jié)果還沒有很好的吻合，為改進仿真模型的精度提供良好的理論及實驗基礎(chǔ)[5]。Bogdan S?odki利用WNMG 080404-23和VCMT 160404-SM兩種刀片對難加工材料Inconel625進行了車削，通過觀察切屑的形狀，提出了一種正確選擇切削參數(shù)的算法，并將該算法應(yīng)用于仿真中，離線驗證了槽型的填充過程[6]。Avik Samanta等通過實驗及仿真對Inconel625進行了激光輔助機械微加工（LAMM）以獲得實驗過程表征并對切削力及殘余應(yīng)力進行了預(yù)測，建立了激光輔助機械微加工熱-機械耦合場的有限元模型，并研究了激光功率、切削速度、切削刃半徑、前角、激光位置和激光光斑直徑對切削力和已加工表面殘余應(yīng)力的影響[7]。

國內(nèi)學(xué)者陶琳等通過等溫?zé)釅嚎s實驗獲得了Inconel625合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過非線性回歸建立了合金在高溫高速條件下的本構(gòu)模型[8]。馬妙，陸永浩研究了載荷、振幅和頻率對Inconel625鎳基合金在常溫常壓下摩擦磨損性能的影響，并對磨痕表面形貌進行了觀察，探討了損傷機理[9]。何艷華分析了Inconel625的切削加工特點，提出了選用合適的刀具材料、刀具參數(shù)以及優(yōu)化后的切削用量來解決難加工材料的加工問題[10]。劉逢博通過對氣相質(zhì)譜分析儀中Inconel625零件的切削加工工藝的分析研究，總結(jié)并驗證出了合理有效的工藝方案[11]。

近年來，有限元仿真技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在金屬切削加工的模擬中。精確的有限元仿真模型不僅可以大量減少試驗時間及費用，而且能為真實的加工提供較為可信的參考。綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對Inconel625合金切削機理方面的相關(guān)研究較少，尤其是將有限元仿真分析方法以及試驗分析方法相結(jié)合的研究方法更為少見，因此，本文基于Deform-3D有限元仿真軟件建立了Inconel625合金切削過程的有限元仿真模型，得出不同切削參數(shù)下主切削力、切削溫度以及后刀具磨損量等切削過程變量的仿真結(jié)果，并結(jié)合相應(yīng)試驗研究，分析了切削參數(shù)對切削過程的影響規(guī)律。

1 基于Deform-3D軟件切削仿真模型的建立

1.1 仿真模型的建立

利用Deform-3D軟件的金屬切削模塊進行仿真分析，利用軟件的前處理器進行有限元仿真模型的建立，運行所建立的模型，通過后處理器觀察相關(guān)的仿真結(jié)果，所采用的有限元仿真技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 有限元仿真技術(shù)路線圖

利用三維制圖軟件UG對試驗過程中使用的刀具進行建模，為了保證仿真效率，刀片選截刀尖部分并導(dǎo)出.stl格式，再將其導(dǎo)入Deform-3D中作為仿真對象，如圖2所示。為了權(quán)衡模擬速度及計算精度，將刀具與工件的網(wǎng)格數(shù)目均劃分為10萬左右，且對刀尖以及工件與刀尖接觸部分進行網(wǎng)格的局部劃分，并設(shè)置加密窗口跟蹤刀具的運動軌跡，以軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法來進行網(wǎng)格的重劃分。刀具及工件的網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖2 刀具模型的建立

圖3 刀具及工件的網(wǎng)格劃分

刀具基體材料為WC，涂層為coating-TiAlN，其材料屬性設(shè)置為剛性。工件材料為Inconel625，材料的主要物理性能見表1，其材料屬性設(shè)置為塑性。由于Deform-3D軟件的材料庫中并未封裝Inconel625此種材料，因此采用文獻[12]通過霍普金森壓桿實驗獲得的可以反映在高溫、大應(yīng)變、大應(yīng)變率條件下的Inconel625的Johnson－Cook流動應(yīng)力模型（1），各項參數(shù)見表2，再將其結(jié)合物理性能生成該材料的.key文件并導(dǎo)入仿真模型中應(yīng)用。

表1 Inconel625的物理性能

表2 通過霍普金森壓桿實驗獲得的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

本文采用的Johnson-Cook本構(gòu)模型為：

摩擦模型定義為軟件自帶的shea（r剪切）摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.6，模型為：

式中：fs為摩擦力，m為摩擦系數(shù)，k為剪切屈服應(yīng)力。

刀具磨損模型采用軟件自帶的并廣泛應(yīng)用于金屬切削仿真中的Usui磨損模型：

式中：W為刀具磨損量，p為正壓力，V為工件材料相對于刀具的滑動速度，T為刀面絕對溫度，a與b為特征常數(shù)（主要由切削參數(shù)及材料決定），根據(jù)文獻[13]查得：a=3.6e-9，b=1200。

1.2 仿真過程切削參數(shù)的確定

Inconel625鎳基高溫合金（下文簡稱625合金）具有較好的高溫強度、塑性，良好的抗高溫氧化性、抗高溫腐蝕性等綜合性能，與此同時伴隨著較差的切削加工性，為了優(yōu)選出適合其半精加工的切削參數(shù)，進行了單因素切削參數(shù)設(shè)計進而研究切削參數(shù)對切削過程變量的影響。在高速、低進給以及小切深的條件下對625合金進行仿真以及后續(xù)的試驗研究，詳細切削參數(shù)見表3。

表3 切削參數(shù)的取值用量

1.3 仿真結(jié)果提取及分析

刀具壽命是切削高溫合金的關(guān)鍵問題，而選用合理的切削用量對提高刀具耐用度又是十分重要的[14]，這里我們主要提取625合金切削過程中不同切削參數(shù)下的切削力、刀具及工件的溫度、刀具磨損等仿真結(jié)果。圖4所示為在切削條件vc=80m/min、f=0.2mm/r、ap=0.5mm下，刀具、工件表面溫度、切削力變化趨勢、后刀面磨損形貌的仿真結(jié)果。圖5、6、7分別為切削參數(shù)對刀具及工件的溫度、刀具磨損的影響，其中由于刀具磨損是隨著切削時間的累積而不斷變化的，因此，此處取相同的切削時間來提取各個切削條件下的后刀面磨損量的結(jié)果。

圖4 仿真過程中的物理量結(jié)果提取

圖5所示為固定f=0.2mm/r，ap=0.5mm，vc依次取40、60、80、100m/min下的刀具、工件溫度以及刀具磨損的仿真結(jié)果，分別提取的是刀尖處最高溫度以工件切削區(qū)域的平均溫度，以及同一切削時間下的后刀面磨損值。隨著切削速度的增大，刀具及工件的溫度呈上升趨勢，原因在于當切屑沿前刀面流出時，切屑底層與前刀面發(fā)生強烈的摩擦，這些摩擦產(chǎn)生的熱量在很短的時間內(nèi)生成，來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，因此切削溫度會明顯的提高。

圖6所示為固定vc=40m/min，ap=0.5mm，f依次取0.10、0.15、0.20、0.25mm/r下的刀具、工件溫度以及刀具磨損的仿真結(jié)果，隨著進給量的增大，刀具及工件的溫度呈上升趨勢，原因在于進給量的增大使得單位時間內(nèi)金屬切削量變多，所以產(chǎn)生的熱量多，但同時切屑變厚，傳熱面積增加，由此導(dǎo)致切削溫度稍緩上升的趨勢。

圖5 切削速度對切削溫度及刀具磨損的影響

圖6 進給量對切削溫度及刀具磨損的影響

圖7所示為固定vc=80m/min，f=0.2mm/r，ap依次取0.5、0.75、1、1.25mm下的刀具、工件溫度以及刀具磨損的仿真結(jié)果。隨著切削深度的增大，刀具及工件的溫度呈緩慢上升的趨勢，原因在于切削深度的增大雖然會增加大量的切削熱，但同時也會使切削刃參與工作的長度增長，改善散熱條件，故溫升不明顯。

圖7 切削深度對切削溫度及刀具磨損的影響

由仿真所得到的結(jié)果可以看出，隨著切削速度、進給量、切削深度的增大，刀具及工件的溫度以及后刀面磨損值均增大，并且三個參數(shù)對切削溫度及刀具磨損的影響程度是非常相似的。其影響程度為：切削速度的影響最大、進給量次之、切削深度的影響最小。在切削過程中，刀-工接觸區(qū)里發(fā)生著強烈的摩擦，這樣會產(chǎn)生很高的溫度和壓力。因此，前、后刀面隨著切削的進行會逐漸產(chǎn)生磨損。隨著前、后刀面的磨損，推擠力和摩擦力逐漸增大，功耗增加，產(chǎn)生的熱量增多，以使得切削溫度上升，由此可看出刀具磨損與切削溫度二者互相影響并相互作用，因此，二者受切削參數(shù)變化的影響程度也較為相似。

2 試驗驗證

對前面所建立的仿真模型進行了試驗驗證，提取了切削過程中的切削力、切屑、后刀面磨損形貌并與仿真結(jié)果進行了對比分析。

2.1 試驗系統(tǒng)

切削所用刀具為三菱公司生產(chǎn)的CNMG120408-MJ刀片，刀桿采用山特維克公司生產(chǎn)的DCLNR型刀桿，刀片刀尖部分前角為13°、主切削刃部分的前角為9°，后角為0°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。切削參數(shù)同仿真參數(shù)，切削試驗在數(shù)控車床CA6140上進行，采用瑞士KISTLER測力儀進行切削力的測量，利用超景深顯微鏡對刀具磨損形貌進行觀察，試驗裝置如圖8所示。

圖8 切削性能試驗裝置

2.2 試驗與仿真結(jié)果對比分析

圖9和圖10所示為在切削參數(shù)：vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm條件下仿真與試驗的后刀面磨損形貌以及切屑形狀的對比。

圖9 刀具磨損形貌對比

圖10 切屑形狀對比

從圖9、圖10中，我們可以看出仿真的后刀面磨損形貌與試驗所得的后刀面磨損形貌基本一致，靠近刀尖處的后刀面磨損比較嚴重。仿真得出的切屑的卷屑形狀與試驗所得的螺旋卷屑形狀基本相似。

圖11所示為仿真與試驗后經(jīng)處理得到的主切削力平均值的數(shù)值對比以及所考察的三個切削參數(shù)對主切削力的影響。

如圖11所示，主切削力的仿真與試驗結(jié)果在變化趨勢上是相同的。從圖11(a)可看出，隨著切削速度的提高，切削力呈減小趨勢。主要原因在于隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸升高，前刀面摩擦系數(shù)減小，變形系數(shù)減小，使切削力逐漸減小，且漸趨穩(wěn)定。從圖11(b)、(c)可看出，隨著進給量、切削深度的增大，主切削力增大，其中切削深度對切削力的影響程度比進給量f要大。主要原因為雖然隨著切削深度及進給量的增大，切削面積都成正比增加，但是，切削深度增大時，單位切削力不變，而進給量增大時，變形系數(shù)減小使得單位切削力減小，所以切削深度對切削力的影響更明顯?？梢钥闯龇抡娴恼`差在10%～15%之間，究其主要原因為仿真的前處理參數(shù)如傳熱系數(shù)、摩擦系數(shù)等與真實的試驗條件存在一定的差距，但誤差范圍在一定程度上是可以接受的，因此我們可以通過仿真來預(yù)測試驗的可行性、相關(guān)切削條件的選擇，以及判斷整個切削過程物理量的變化趨勢等等。

圖11 主切削力的仿真與試驗結(jié)果對比

3 結(jié)論

本文針對永磁電機轉(zhuǎn)子護套用高溫合金Inconel625展開了切削性能研究。采用有限元軟件Deform-3D建立了高溫合金Inconel625三維切削過程有限元仿真模型，并通過試驗驗證了該仿真模型的精度。結(jié)合試驗與仿真研究得出以下結(jié)論：

（1）車削Inconel625合金時，隨著切削速度的增大，切削力逐漸減小。隨著切削深度、進給量的增大，切削力均呈增大趨勢，其中，切削深度對切削力的影響程度更大。仿真與試驗得到的主切削力在變化趨勢上是一致的，數(shù)值上的誤差在15%以內(nèi)，證明了所建立的仿真模型較為準確。

（2）車削Inconel625合金時，隨著切削速度、切削深度、進給量的增大，切削溫度均呈增大趨勢，隨著切削速度的提高，切削溫度上升幅度最大，進給量次之，切削深度對切削溫度的影響最小。刀具磨損隨切削參數(shù)的變化趨勢與刀、工溫度隨切削參數(shù)的變化趨勢相似。

（3）車削Inconel625合金時，中等的切削速度、較大的進給量以及較小的切削深度為該材料較為適宜的半精加工切削條件。

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Simulation and Experimental Study on Cutting Performance of High Temperature Alloy Inconel625 for PM Motor Rotor Retaining Sleeve

YUE Caixu,HUANG Cui,LIU Erliang
(Mechanical Manufacture and Automation,Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080,China)

In this paper,the cutting performance of high speed permanent magnet motor rotor protection material nickel base superalloy Inconel625 is studied.A 3D finite element simulation model is established by using the finite element simulation software DEFORM-3D.The Johnson-Cook model is used to establish the constitutive relation of workpiece material,and the tool wear model is established based on the Usui model.The change of cutting force,the distribution characteristics of temperature field,tool wear and chip formation are obtained by finite element simulation.Combined with the experimental results,the influence of cutting parameters on the cutting force,cutting temperature and tool wear are analyzed,and the simulation model is verified.The research results provide a theoretical basis for the reasonable selection of cutting conditions and the improvement of the tool life,they also offer some reference dates for further research on the mechanism of Inconel625 alloy cutting.

Inconel625;finite element simulation;cutting force;cutting temperature;tool wear

TM351

A

1000-3983(2017)01-0045-06

2016-09-15

1.國家科技重大專項：航空發(fā)動機盤環(huán)軸零件國產(chǎn)化成套刀具產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用（2014ZX04001020-011）；2.哈爾濱理工大學(xué)青年拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃資助（201507）