基于有限元模擬的鈦合金TC4車削仿真研究

王磊 唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

干式切削技術(shù)是為適應(yīng)可持續(xù)制造戰(zhàn)略而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綠色切削加工技術(shù)。1995年，干式切削的科學(xué)意義被正式確立。1997年，德國(guó)Aachen工業(yè)大學(xué)的F.Klocke教授在國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)年會(huì)上做了“干切削”的主題報(bào)告，進(jìn)一步確立了干式切削在金屬切削加工領(lǐng)域的重要地位。相比于傳統(tǒng)潤(rùn)滑加工，干式切削技術(shù)能夠降低設(shè)備消耗，減少加工工序，縮短裝卸時(shí)間，并且由于干式切削清潔無(wú)污染，符合環(huán)境保護(hù)要求，各國(guó)開始爭(zhēng)相加大對(duì)干式切削研究工作的投入力度。硬態(tài)干式切削是把淬硬鋼等高硬度（>45HRC）零件的切削作為最終精加工工序，且在加工中不使用切削液的一種新工藝方法。該方法具有保護(hù)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益好、可獲得良好的整體加工精度和表面質(zhì)量以及提高加工柔性等優(yōu)點(diǎn)。硬態(tài)干式切削研究的目的就是在沒有切削液冷卻、潤(rùn)滑和排屑的條件下，探討改善高硬度零件加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命和提高生產(chǎn)率的途徑和方法。

1 提高加工表面質(zhì)量的優(yōu)化研究

為了獲取和磨削加工相當(dāng)?shù)谋砻尜|(zhì)量，對(duì)硬態(tài)干式切削工藝優(yōu)化的研究主要集中在分析切削參數(shù)變化對(duì)表面質(zhì)量的影響，從而獲得諸如最優(yōu)加工表面粗糙度下的切削參數(shù)組合。在硬車AISI 52100滾動(dòng)軸承鋼的研究中，K.Bouacha等人優(yōu)化得到的表面粗糙度是Ra0.19μm，對(duì)應(yīng)的切削速度v=246m/min，進(jìn)給量f=0.08mm/rev，切削深度ap=0.15mm。而N.C.Camposeco等人在綜合考慮材料切除率和刀具壽命的前提下，對(duì)工件表面粗糙度優(yōu)化結(jié)果為Ra=0.95mm，得到的最優(yōu)切削參數(shù)組合為切削速度v=434m/min，進(jìn)給量f=0.14mm/rev，切削深度ap=2.3mm。在硬態(tài)干式車削AISI H13鋼的研究中。B.A.Beatrice優(yōu)化的結(jié)果是粗糙度為Ra=0.91μm，得到的最優(yōu)切削參數(shù)組合為切削速度v=95m/min，進(jìn)給量f=0.05mm/r，切削深度ap=0.5mm。然而對(duì)于同樣工件材料的銑削研究表明，在優(yōu)化工藝參數(shù)的同時(shí)，優(yōu)化刀具路徑軌跡，可以使工件表面粗糙度達(dá)到Ra=0.1μm，完全能夠取代磨削加工。由以上學(xué)者所做的相關(guān)研究可知，硬態(tài)干式切削條件下的切削速度、進(jìn)給量和切削深度對(duì)工件加工表面粗糙度有著顯著的影響，優(yōu)化切削用量可以改善加工表面粗糙度，在一定條件下可以獲得“以車代磨”的效果。

在關(guān)注加工表面粗糙度的同時(shí)，有關(guān)工件表面硬度和殘余應(yīng)力的研究，對(duì)改善工件使用性能也是非常有意義的。H.K.T―nshoff等人對(duì)硬態(tài)干式切削的研究工作表明，已加工表面微觀硬度受進(jìn)給量和后刀面磨損量的影響較大，進(jìn)給量越小，磨損量越大，表面硬度越高。劉獻(xiàn)禮等人的硬態(tài)干式切削正交試驗(yàn)結(jié)果表明，已加工表面硬度隨切削速度的提高而增加，隨進(jìn)給量和切削深度的增大而降低，而且已加工表面硬度越高，硬化層深度越大。他們還發(fā)現(xiàn)，硬車過(guò)程中已加工表面硬度雖有所提高，并產(chǎn)生一定的硬化深度，但對(duì)表層的金相組織無(wú)破壞。A.R.C.Sharman等人車削高溫合金Inconel 718，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明刀具磨損對(duì)工件微觀結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力有顯著影響，并且工件加工后的表面殘余應(yīng)力受到刀尖圓弧半徑的影響。P.I.Varela等人研究了硬態(tài)干式切削4340M高強(qiáng)度鋼過(guò)程中切削刃幾何形狀和工件硬度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)中分別選用尖刃、倒棱、鈍圓三種刃部形狀的CBN刀具。測(cè)試結(jié)果顯示，刀具鈍圓半徑越大，殘余壓應(yīng)力值越大；工件硬度越高，殘余壓應(yīng)力值越大。F.Jafarian等也認(rèn)為工件硬度對(duì)工件表面完整性的影響極大，工件硬度值越大，越有利于殘余壓應(yīng)力的形成。同時(shí)，刀具幾何形狀也影響殘余應(yīng)力的形成，雙倒棱和大鈍圓刀具所形成的殘余壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單一倒棱和尖刃刀具，但切削參數(shù)諸如切削深度和進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力沒有顯著影響。

2 鈦合金切削加工的特點(diǎn)

鈦合金本身所具有的物理和化學(xué)性能給切削加工帶來(lái)了困難，其難加工性具體表現(xiàn)有以下6點(diǎn)：

1)鈦合金的導(dǎo)熱性差，是不良導(dǎo)熱體金屬材料。由于導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)小，是45號(hào)鋼的1/6，所以在加工時(shí)所產(chǎn)生的高熱量不能有效擴(kuò)散，同時(shí)刀具的切削刃和切屑的接觸長(zhǎng)度短，使熱量大量聚集在切削刃上，溫度急劇上升，導(dǎo)致刀刃的紅硬性下降，刀刃軟化，加快刀具磨損。

2)鈦合金的親和力大。鈦合金在加工中黏刀現(xiàn)象嚴(yán)重。增大了刀體與工件的摩擦，摩擦導(dǎo)致大量的熱，降低了刀具的使用壽命。

3)高的化學(xué)活性。在加工中，隨著切屑溫度的升高，容易與空氣中的O、N、CO、CO2、H2O等發(fā)生反應(yīng)，使間隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化變硬，難以加工，增大了刀具單位面積上所承受的切削力，刀尖應(yīng)力變大，同時(shí)使前刀面和后刀面與工件的摩擦加劇，這將導(dǎo)致刀刃迅速磨損或崩刃。

4)鈦合金的變形系數(shù)不大于1。在切削加工中，刀-屑接觸面積小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削溫度，加快了刀具前刀面磨損。

5)鈦合金的彈性模量小，在切削中容易產(chǎn)生較大變形、回彈、扭曲和振動(dòng)，造成加工件幾何形狀和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨損增加。

6)不同的加工方法，鈦合金的加工難度不同。按機(jī)械加工由易到難排序?yàn)椋很囅?、銑削、鉆削、磨削。其中鉆小直徑深孔更困難。