Ti6Al4V鈦合金高速微銑削過程中毛刺形成機(jī)理的研究*

李文杰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，西安 710089)

0 引言

鈦合金享有“未來金屬”的美稱，并以其高強(qiáng)度、高耐熱性以及高耐蝕性被廣泛應(yīng)用于船舶、化工，電子器件和通訊設(shè)備領(lǐng)域，是火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)不可或缺的材料[1-3]。然而，鈦合金加工工藝性能差，屬于典型的難加工材料。

近年來，微細(xì)加工得到的微小型零件在各種領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加，主要由于其具有高精度、小體積、可靠性強(qiáng)以及良好性能等特點(diǎn)[4]。作為微細(xì)加工的重要研究領(lǐng)域，微銑削作為加工微小零件的主要加工技術(shù)，以其加工效率高、加工精度高以及可加工適用性強(qiáng)廣泛應(yīng)用于各種材料的加工。然而，鈦合金的難加工性容易導(dǎo)致微細(xì)加工過程中產(chǎn)生毛刺，降低工件表面加工精度、加速刀具磨損以及對生產(chǎn)效率產(chǎn)生負(fù)面影響[5]。國內(nèi)外研究學(xué)者針對微細(xì)加工中毛刺的產(chǎn)生和抑制進(jìn)行了相關(guān)研究，Lee等[6]對銅和鋁材料微銑槽加工過程中毛刺形成進(jìn)行了研究，通過毛刺所在的不同位置得到了不同類型、不同尺寸的毛刺。另外，他們發(fā)現(xiàn)由于微銑槽加工過程中毛刺尺寸非常小，所以傳統(tǒng)的毛刺去除方法并不適用。朱云明[7]利用ANSYS有限元分析軟件建立了黃銅切削過程中毛刺形成的有限元模型，并對毛刺產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析。另外，針對不同材料的毛刺形成機(jī)理及建模、最小化毛刺影響以及毛刺去除技術(shù)的驗(yàn)證等也取得了較多的研究成果[8-10]。然而，關(guān)于Ti6Al4V高速微銑削過程中毛刺形成的仿真建模方面研究相對較少，且在很多情況下毛刺尺寸預(yù)測值與實(shí)際加工得到的值相差較大[11]。

為此，本文主要對Ti6Al4V高速微銑削過程中逆銑削微銑刀切出處毛刺的高度和寬度進(jìn)行預(yù)測。建立了Ti6Al4V高速微銑削過程中毛刺形成的有限元模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本模型的正確性[12]。同時，對Ti6Al4V高速微銑削過程中影響毛刺尺寸主要因素進(jìn)行分析。

1 有限元仿真

利用ABAQUS有限元仿真軟件建立二維銑削模型。工件材料塑性和損傷采用Johnson Cook(JC)材料模型，數(shù)值計算顯示了微銑削Ti6Al4V工件和刀具幾何形狀、邊界條件、相互作用以及材料屬性，二維仿真平面應(yīng)變條件中材料屬性與溫度變化無關(guān)。JC材料本構(gòu)模型包括應(yīng)變硬化、應(yīng)變率以及熱軟化的影響，其等效應(yīng)力可以表示為下式：

(1)

因?yàn)椴牧蠈傩耘c溫度變化無關(guān)，所以忽略式(1)中的熱軟化效應(yīng)。仿真過程中單元的消除是基于材料的初始剛度退化進(jìn)行的。初始剛度在工件長期加載過程中出現(xiàn)剛度退化現(xiàn)象，加載下材料剛度退化行為變化圖如圖1所示。材料的有效剛度為初始剛度的1-D倍，剛度退化值由零(初始剛度)到1(零剛度或剛度完全退化)。數(shù)值分析時其穩(wěn)定性損傷考慮值為0.99，也就是說損傷值達(dá)到0.99時，該單元將不在分析中考慮。

圖1 加載下材料損傷行為

JC剪切失效模型使用5個參數(shù)(D1～D5)來模擬起始損傷。初始損傷在B2點(diǎn)，其損傷參數(shù)可以表示為下式：

(2)

(3)

圖2為建立的刀具-工件有限元模型，由于工件具有對稱性，同時為了節(jié)省計算時間，只顯示工件的一部分。其中，刀具設(shè)置為剛體，銑刀半徑為0.5mm，切削刃半徑為5μm。選擇一個參考點(diǎn)作為微銑刀旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動耦合的工具。工件設(shè)置為1100個節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變，三線性位移、變形控制、單元刪除和沙漏控制單元。工件和刀具的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.6。

圖2 刀具-工件微銑削有限元模型

實(shí)際銑削加工中，毛刺形成的類型主要有4種：分別為撕裂、擠出(翻轉(zhuǎn))、截斷和泊松毛刺[11]。其中，撕裂毛刺主要是由工件的松散撕裂形成的。擠出毛刺也被稱為側(cè)翻毛刺，因?yàn)樗纬稍阢娤魍舛顺隹谔帲c形成切屑的原理相似，但是由于彎曲變形產(chǎn)生的，而不是剪切變形，故能夠這種毛刺相對來說尺寸較大，如圖3所示。

圖3 切出口處毛刺形成

仿真過程中采用的加工參數(shù)為定值：進(jìn)給率設(shè)置為5mm/s，切削深度設(shè)置為10μm，銑刀半徑為0.5mm。為研究切削速度對毛刺尺寸的影響，刀具轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置為50000rpm～100000rpm，選擇具體轉(zhuǎn)速為50000,100000,150000以及200000rpm。圖4顯示了毛刺形成過程中毛刺尺寸隨刀具轉(zhuǎn)速變化的仿真結(jié)果。由圖中可明顯得知隨刀具轉(zhuǎn)速提高，毛刺尺寸明顯減小。

圖4 毛刺形成尺寸隨刀具轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在高速微加工中心進(jìn)行，如圖5所示。微細(xì)加工中心主軸轉(zhuǎn)速最大能達(dá)到140000rpm，定位精度為0.5μm，加工精度為0.7μm。未涂層硬質(zhì)合金端銑刀切削刃半徑為5μm，銑刀螺旋角為30°，刀具直徑為500μm。工件材料為Ti6Al4V，在工件上進(jìn)行微型通道加工，切出角度設(shè)置為90°。毛刺尺寸在電鏡顯微鏡下進(jìn)行測量。分別測量切削速度為50000rpm(傳統(tǒng)切削)和90000rpm(高速切削)下毛刺的高度和寬度，對建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 實(shí)驗(yàn)條件

圖6 毛刺尺寸與切削速度之間的關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)加工獲得的毛刺尺寸與切削速度之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6a可知，傳統(tǒng)銑削和高速銑削過程中所預(yù)測的毛刺高度誤差分別為11%和6%；同樣地，不同銑削速度下預(yù)測得到的毛刺寬度誤差分別為15%和6%。由此可知，利用所建立的微銑削毛刺形成模型預(yù)測得到的毛刺尺寸誤差限制在15%左右，因此由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明該模型的準(zhǔn)確性。

另外，圖7為微銑削加工Ti6Al4V切出口處毛刺圖像與有限元仿真圖像對比圖。由此可知，實(shí)驗(yàn)毛刺和模擬毛刺的幾何形狀幾乎相同，通過仿真可以對微銑削加工Ti6Al4V切出處毛刺的形狀、高度寬度等進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

圖7 銑刀切出口處毛刺圖像與有限元仿真圖像對比圖

先前的研究中表明毛刺尺寸能夠隨著切削速度的提高不斷減小，因此，利用所建立的Ti6Al4V高速微銑削過程中毛刺形成模型對切削速度進(jìn)行研究。對不同切削速度下毛刺尺寸(毛刺高度和寬度)進(jìn)行預(yù)測，圖8顯示了5種不同轉(zhuǎn)速下對毛刺尺寸的影響。由圖8可知，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速由10000rpm增加到100000rpm時，毛刺尺寸明顯減小，毛刺高度和寬度分別減少60%和54%；當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速增加到200000rpm時，微銑削所形成的毛刺尺寸相較于較低的刀具轉(zhuǎn)速減小90%。

圖8 5種不同轉(zhuǎn)速下毛刺尺寸的影響

3 結(jié)論

本文基于ABAQUS有限元仿真軟件對Ti6Al4V高速微銑削加工中毛刺形成進(jìn)行了仿真，利用JC本構(gòu)模型對材料塑性和損傷機(jī)理進(jìn)行建模，并通過Ti6Al4V銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型正確性(毛刺高度和寬度仿真誤差與實(shí)驗(yàn)誤差小于15%)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，Ti6Al4V高速微銑削加工中毛刺形成與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，通過提高主軸轉(zhuǎn)速可以有效抑制加工過程中毛刺的形成。

下一步研究中，將對本文所提出的Ti6Al4V高速微銑削加工中毛刺形成模型進(jìn)行完善，建模過程中結(jié)合不同鈦合金材料模型。另外，Ti6Al4V高速微銑削加工中毛刺形成的不同類型分析也是未來研究重點(diǎn)。