鈦合金Ti-6Al-4V切削仿真溫度分析

劉慧磊

摘 ? 要：采用單一變量法，設(shè)置不同的切削速度和進(jìn)給量，將三維切削過程合理轉(zhuǎn)化為二維平面切削，來分析切削區(qū)溫度場變化。從仿真云圖和溫度曲線圖中得出隨著切削速度的增加，車刀和切削層的擠壓越強(qiáng)烈，產(chǎn)生的塑性功和切削熱也就越多，使切削區(qū)溫度不斷升高，且增長趨勢逐漸增大。隨著進(jìn)給量的增加，切削溫度不斷上升，相對于進(jìn)給量，切削速度對溫度影響更大，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過優(yōu)先改變切削速度來控制切削區(qū)溫度。

關(guān)鍵詞：切削參數(shù) ?有限元仿真 ?鈦合金Ti-6Al-4V

中圖分類號：TH164 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0096-03

鈦合金Ti-6Al-4V強(qiáng)度高，耐腐蝕，常用于航空航天制造業(yè)，但是熱導(dǎo)率低，約為鐵的1/5。傳統(tǒng)的切削試驗(yàn)中，鈦合金的切削速度較低，多為50m/min以下[1]，因此，對鈦合金不同速度下的切削仿真模擬就顯得尤為重要。

本文采用單一變量法，設(shè)置不同的切削速度和進(jìn)給量，來分析切削區(qū)溫度場變化，為選擇合適的切削用量和實(shí)際生產(chǎn)加工提供參考依據(jù)。

1 ?有限元仿真模型建立

在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，影響工件加工誤差的因素很多如：尺寸精度和已加工表面完整性，包括切削用量、刀具幾何參數(shù)、材料，裝夾和工藝等等。因此，金屬切削加工有限元仿真，是一個(gè)非常繁雜的熱力耦合分析過程，所以，為了提高有限元仿真的效率，需要對切削過程進(jìn)行合理的簡化。本文采用自由正交切削，將三維切削過程轉(zhuǎn)化為二維平面切削，其中切削仿真中的水平力和真實(shí)車削中車床的沿Z軸的分力相近，仿真中的豎直力和車床沿X軸的分力相近，在二維車削仿真中只有水平分力和豎直分力，無第三方力，這是對三維切削過程的簡化[2]，如圖1所示，Ti-6Al-4V的化學(xué)成分見表1，物理參數(shù)見表2，切削加工方案見表3，仿真中切削刀具采用細(xì)晶型硬質(zhì)合金刀具YG6X，其前角5°，后角7°，刃傾角0°。

1.1 材料本構(gòu)模型

在干硬切削過程中，工件首先進(jìn)行彈性變形，然后進(jìn)行塑性變形，并伴隨著材料的失效和破裂，因此，選擇合適的材料失效模型對仿真的準(zhǔn)確度有著重要作用，本文選擇Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型是一個(gè)以經(jīng)驗(yàn)為主的本構(gòu)模型，主要應(yīng)用于大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫變形的材料，也可應(yīng)用于各種晶體結(jié)構(gòu)，在溫度從室溫到材料熔點(diǎn)溫度范圍內(nèi)都是有效的，并且可以反映應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)與溫度效應(yīng)對材料流動應(yīng)力的影響，特別適合用來模擬高應(yīng)變率下的金屬材料[3]，具體表達(dá)式見下式（1）：

2 ?仿真分析

根據(jù)建立的有限元仿真模型，將相關(guān)材料參數(shù)，刀具參數(shù)，切削參數(shù)輸入到ABAQUS數(shù)值模擬軟件中，得到不同試驗(yàn)參數(shù)下的溫度場云圖（見圖2，圖3）。

從仿真云圖和溫度曲線圖（見圖4，圖5），可以看出，隨著切削速度的增加，前刀面與工件的擠壓程度越深，產(chǎn)生的塑性功和切削熱更多，引起切削區(qū)溫度升高，并且增長趨勢越明顯，但溫度并未超過材料的熔點(diǎn)。進(jìn)給量增加時(shí)，切削區(qū)溫度增長不明顯，這說明，切削速度對溫度的影響更大。

3 ?結(jié)語

采用單一變量法對不同切削速度和進(jìn)給量下的切削過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出，隨著切削速度的增加，車刀和切削層的擠壓越強(qiáng)烈，產(chǎn)生的塑性功和切削熱也就越多，傳熱層厚度也在增加，切削區(qū)溫度也不斷升高，增長趨勢越加明顯，其中刀尖附近和前刀面與切屑的接觸區(qū)溫度較高。

隨著進(jìn)給量的增加，切削溫度也在不斷上升，相對于進(jìn)給量，切削速度對溫度作用更大，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過優(yōu)先改變切削速度來達(dá)到控制切削區(qū)溫度的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 張松，李斌訓(xùn)，李取浩，等.切削過程有限元仿真研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2019，62（13）：14-28.

[2] 丁源. ABAQUS 2018有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.

[3] Johnson G R， Cook W H. Fracture character theistic of three metals subjected to various strains strain rates， temperatures and pressures[J]. Engineering fracture mechanics， 1985， 21（3）： 31-48.