鈦合金TC4三維高速銑削的銑削力和溫度特性

王學(xué)惠

(黑龍江科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

鈦合金TC4三維高速銑削的銑削力和溫度特性

王學(xué)惠

(黑龍江科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

為探究高速銑削中銑削力和銑削溫度的分布規(guī)律，采用有限元仿真和銑削實驗相結(jié)合的方法，對整體硬質(zhì)合金立銑刀高速銑削鈦合金TC4進行相關(guān)研究。采用有限元分析軟件Advantedge Fem，基于J-C本構(gòu)模型，建立高速銑削鈦合金TC4的三維銑削模型，模擬銑削加工過程，獲得銑削力和銑削溫度的分布情況。通過銑削實驗獲得了相同銑削條件下的銑削力數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：高速銑削鈦合金TC4銑削力的模擬值與實驗值具有較好的一致性；切屑的溫度高于工件和刀具的溫度，高速銑削過程中，切屑帶走了大部分熱量，與高速銑削過程中切屑帶走大部分熱量的情況相吻合。該研究可以為鈦合金合理選擇加工參數(shù)提供依據(jù)。

高速銑削；銑削力；銑削溫度；有限元分析；三維銑削模型

0 引 言

鈦合金作為一種高強度比的金屬，是廣泛應(yīng)用于航空航天零件的材料。鈦合金屬于典型的難加工材料，造成其切削加工性差的主要原因是鈦合金的導(dǎo)熱性差和化學(xué)親和力大[1-2]。高速銑削技術(shù)以較高的速度，在大多數(shù)材料的銑削加工中，獲得了較小的銑削力和較好的表面質(zhì)量。鈦合金在高速銑削加工的條件下，銑削力和溫度等性能也是目前研究的熱點問題之一。由于實際加工過程中的銑削溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等的測量較難，依靠加工實驗獲得數(shù)據(jù)的方式，需要耗費大量的人力和物力。銑削加工的仿真，能夠在實際加工之前，提供一定的銑削參數(shù)等數(shù)據(jù)，并且能夠揭示實驗很難獲得的物理、力學(xué)等現(xiàn)象。鈦合金的銑削仿真多數(shù)集中在二維模擬加工上，二維模型簡化了很多因素，與實際加工的差距較大。筆者采用美國第三波公司的Advantedge Fem有限元分析軟件，建立鈦合金高速銑削的三維銑削有限元模型，獲得銑削加工中的銑削力、銑削溫度等。并將仿真模擬加工的數(shù)據(jù)，應(yīng)用到具體的實驗中，進行對比，以驗證仿真結(jié)果與實際加工結(jié)果的一致性。

1 有限元分析模型

1.1 三維有限元銑削模型的建立

為了進行鈦合金TC4三維銑削過程仿真，首先建立刀具、工件的有限元分析模型。在高速銑削的條件下，銑削過程中材料的應(yīng)變大、應(yīng)變率高，由于材料的這種變形，會導(dǎo)致單元網(wǎng)格的嚴(yán)重畸變，影響后續(xù)分析的仿真精度。采用Advantedge 軟件的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，該軟件會根據(jù)網(wǎng)格情況，不斷進行重新網(wǎng)格劃分，提高運算精度，滿足仿真要求[3-4]。

實驗中，采用的刀具為整體硬質(zhì)合金立銑刀，刀具牌號為YG8，密度：14.5～14.9 g/cm2，抗彎強度不低于1 500 N/cm2，硬度不低于89HRA，適于鈦、鉻、鎳不銹鋼等合金材料的高速銑削。具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。刀具直徑為φ10 mm，刀具長度為60 mm，刀具切削部分長度為30 mm，刀具后角為15°，刀具前角12°30′，螺旋角34°30′。

工件材料為鈦合金TC4，組成為Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機械性能。比強度為23.5，較大。鈦合金熱導(dǎo)率(7.955 W/m·K)低，不利于加工。

根據(jù)現(xiàn)有條件和實驗要求，選定銑削實驗的加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速2 800 r/min，銑削深度1 mm，銑削寬度 2 mm，進給量 300 mm/min。

根據(jù)以上刀具、工件參數(shù)，建立刀具和工件的有限元分析模型。選取工件的微元尺寸為：長4 mm，寬3 mm，高1.5 mm，工件的底部在x、y和z方向是固定的。銑削方式為順銑，工件和刀具之間的相對運動是由刀具以給定速度，沿著水平方向的運動實現(xiàn)的。工件的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定如下：網(wǎng)格細(xì)分系數(shù)為1，網(wǎng)格粗化系數(shù)為5，切削細(xì)分系數(shù)為1，切削基體最小單元為0.026 4，刀具基體最小單元為0.020 2，刀具邊緣精準(zhǔn)區(qū)域半徑為0.1 mm。圖1是實驗刀具和工件的三維銑削有限元模型。

圖1 三維有限元銑削模型Fig.1 3D finite element analysis milling model

1.2 工件材料的本構(gòu)模型

高速銑削TC4的過程中，易產(chǎn)生比較大的變形，較高的溫度，目前，應(yīng)用比較多的是采用Johnson-Cook模型描述工件材料的本構(gòu)關(guān)系[5-7]，關(guān)系式為

式中：σ——流動應(yīng)力，MPa；

ε——應(yīng)變；

θ——工件溫度，℃；

θr——參考溫度，25 ℃；

θm——熔點溫度；

A——屈服強度，A=982MPa；

B——硬化模量，B=643.467MPa；

C——應(yīng)變率敏感系數(shù)，C=0.015；

m——熱軟化系數(shù)，m=1.223；

n——硬化系數(shù)，n=0.227MPa。

2 有限元模擬結(jié)果

2.1 銑削溫度

圖2為根據(jù)刀具、工件和加工參數(shù)，在Advantedge中得到的銑削溫度模擬結(jié)果。從溫度分布圖上可以看出，溫度最高值主要分布在切屑上，說明在高速銑削過程中，切屑帶走了大部分的熱量，工件的溫度值次高，最低的是刀具的溫度值。具體來說，刀具的最高溫度約為100 ℃，工件的最高溫度約為200 ℃，切屑的最高溫度為409.796 ℃左右。這與高速銑削過程中切屑帶走大部分熱量的情況相吻合。

圖2 銑削溫度模擬結(jié)果Fig.2 Milling temperature simulation results

2.2 銑削力分布

高速銑削TC4的模擬仿真銑削力分布如圖3所示，其中圖3a是未使用濾波功能的銑削力分布圖，圖3b是使用軟件濾波功能后的力的分布。

a 未濾波

b 濾波后

從圖3a可以看出，在銑削的初始階段銑削力的波動較大，經(jīng)過一段時間后，銑削力的變化趨于平穩(wěn)。波動較大的主要原因是，刀具、工件以及機床等組成的系統(tǒng)在切削的開始階段還沒有達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，另外，根據(jù)切屑形成的絕熱剪切理論，需要達(dá)到一定的溫度以后，切屑從工件上斷裂，而切削的初始階段，溫度較低，要使切屑形成需要的銑削力較大。同時，銑刀參與銑削是多刃參與切削，刀齒有一個切入切出工件的過程，銑削力先增大后減小，呈周期性變化，與銑削是斷續(xù)切削的過程相符合[8]。

從圖3b可以看出，隨著銑削的進行，剩余的，未被切掉的切屑厚度的減少，導(dǎo)致Fx、Fz方向上的銑削分力，在分界線處(Fx=Fz)的分布比例發(fā)生了變化，毛刺形成過程中，F(xiàn)z>Fx，切屑形成過程中，F(xiàn)z

3 銑削實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗設(shè)備

所用加工設(shè)備為漢川立式加工中心型號為XH716E，測力儀型號為kistler9257b，所用刀具材料為YG8。實驗材料為鈦合金TC4(Ti6Al4V) ，現(xiàn)場實驗設(shè)備、刀具、工件及測力儀等，如圖4所示。

圖4 實驗系統(tǒng)Fig.4 Experimental system

3.2 實驗與仿真的銑削力對比

為了驗證模擬仿真結(jié)果的一致性，銑削實驗所用參數(shù)與模擬仿真實驗所用參數(shù)相同，在Kistler測力儀軟件Dynoware中獲得銑削力的實測銑削力分布曲線，如圖5所示。由于切入和切出時銑削力波動較大，所以圖5中截取了比較平穩(wěn)的時間段，由于刀齒切入切出及切削厚度的變化，三個方向的銑削力呈周期性波動。將銑削力實測值的峰值與仿真模擬的銑削力峰值列于表1中。從表1可以看出，相對誤差均在10%以上，最大達(dá)12.03%，但都在模擬誤差允許的范圍內(nèi)。存在誤差的主要原因是由于在仿真過程中忽略了很多的加工因素，如機床的參數(shù)，銑削的現(xiàn)場情況等。

圖5 實驗所測銑削力數(shù)值Fig.5 Experimental milling force value

表1 模擬與實驗的銑削力的對比Table 1 Milling force contrast table between simulation and experiment value

4 結(jié) 論

(1)通過軟件模擬高速銑削TC4的溫度分布情況，切屑上的溫度要高于工件和刀具上的溫度，與高速銑削過程中，切屑帶走大部分熱量的情況較為一致。

(2)模擬獲得的三向銑削力的值先增大，后減小，這與銑削是斷續(xù)銑削的過程相符合。

(3)通過銑削力實驗，對軟件模擬仿真的結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明兩者具有一定的一致性，可以采用該方法進行其他加工參數(shù)的有限元分析。

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(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Simulation and experimental research on three dimensional high speed milling process of titanium alloy TC4

WangXuehui

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper arises from the need for exploring the distribution rules behind the milling force and milling temperature in high speed milling.The research consists of examining the high-speed milling of titanium alloy TC4 with the integral cemented carbide end mill using the combination of the finite element simulation and milling experiment; establishing the three-dimensional milling model of titanium alloy TC4 in high speed milling; identifying the distribution law governing cutting force and cutting temperature,using the finite element analysis software Advantedge Fem and drawing on the J-C constitutive model on which to simulating the milling process; and providing the milling force data with the same milling condition using the milling experiments.The results show that a better agreement occurs between the milling force values and the experimental value of the simulation in high speed milling of titanium alloy TC4; the cutting temperature is higher than the temperature of the workpiece and tool and the high speed milling is a process in which the chip takes away most of the heat,which is consistent with the fact that the chip carries away most of the heat in high speed milling process.This study may provide a basis for the reasonable selection of milling parameters on titanium alloy.

high speed milling; milling force; milling temperature; finite element analysis; three-dimensional milling model

2017-01-20

黑龍江省自然科學(xué)基金項目(E201328)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541691)

王學(xué)惠(1974-)，女，黑龍江省友誼人，副教授，碩士，研究方向：高速銑削加工仿真及檢測，E-mail:xuehui1024@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.015

TG54

2095-7262(2017)02-0168-04

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