鈦合金零件鉆削過(guò)程仿真與試驗(yàn)研究

談志晶 林 森

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

由于鈦合金材料的比強(qiáng)度高、耐腐蝕能力強(qiáng)、熱強(qiáng)度大，因此被廣泛地應(yīng)用于航空工業(yè)等民用領(lǐng)域。鉆削是航空工業(yè)加工中應(yīng)用廣泛的加工過(guò)程之一，其導(dǎo)熱系數(shù)低、比強(qiáng)度高、加工溫度高[1]。

對(duì)于仿真模型的成形，Galloway創(chuàng)立了錐模法[2]，康德純等提出了麻花鉆的數(shù)學(xué)模型[3]。Sakurai等對(duì)鈦合金的鉆削加工做了研究[4]。Cantero等對(duì)干式鉆削鈦合金做了研究[5]。美國(guó)密歇根大學(xué)的Matthew Bono和Jun Ni用鉑絲埋入工件的方法，測(cè)量鉆頭主切削刃溫度，并用ABAQUS軟件對(duì)工件熱流分布做了研究[6]。浙江大學(xué)的黃志剛等用ABAQUS軟件建立了金屬切削加工的熱力耦合模型[7]。

本文擬建立熱應(yīng)力耦合有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)鈦合金在不同加工速度下的鉆削力和鉆削溫度，并使用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆[8]進(jìn)行鉆削試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)格劃分-鉆頭與試件

使用作圖軟件繪制鉆頭與試件模型，并保存為STL格式，將其導(dǎo)入仿真軟件Deform 3D[9]。假設(shè)鉆頭為剛體，即加工過(guò)程中不產(chǎn)生變形。采用四面體單元網(wǎng)格模擬鉆頭模型，網(wǎng)格數(shù)量約為16 000個(gè)，由于鉆頭主切刃對(duì)仿真結(jié)果的精度影響較大，為得到較為精準(zhǔn)的仿真結(jié)果，對(duì)該界面處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖1所示。

由于試件表面為加工面，直接影響仿真結(jié)果，因此其網(wǎng)格劃分相對(duì)復(fù)雜。由于試件加工過(guò)程中會(huì)變形，假設(shè)試件為塑性體。網(wǎng)格單元上的溫度、應(yīng)力以及應(yīng)變?cè)谠嚰庸ご怪泵嫔系淖兓荻容^大。為了能較為精準(zhǔn)地模擬變化梯度，需要更多的網(wǎng)格捕捉變化梯度，因此相較于鉆頭的網(wǎng)格，試件使用了60 000個(gè)網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 鉆頭的網(wǎng)格劃分

圖2 試件的網(wǎng)格劃分

1.2 材料本構(gòu)模型

在Deform 3D系統(tǒng)定義材料。工件選鈦合金材料，其材料本構(gòu)模型如下：

(1)

圖3 鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力曲線

1.3 邊界條件設(shè)定

工件固定，鉆頭相對(duì)工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際鉆削參數(shù)，輸入進(jìn)給速率和轉(zhuǎn)速。

邊界條件分為幾何邊界條件和熱邊界條件。鉆頭和工件接觸屬于幾何邊界條件，采用剪切摩擦，取摩擦系數(shù)為0.67。工件B面固定x、y和z方向。鉆頭的熱邊界為A面，工件的熱邊界為B面。

在仿真控制對(duì)話框中設(shè)置分析類型、分析步和迭代算法等參數(shù)。本文進(jìn)行變形和熱傳導(dǎo)分析。分析步根據(jù)工件最小網(wǎng)格和鉆削深度來(lái)定義，一般每一分析步位移應(yīng)為工件最小網(wǎng)格的1/3。分析熱力耦合用Sparse算法和Newton-Raphson迭帶法，計(jì)算精度較高。

1.4 切屑分離準(zhǔn)則

零件切屑過(guò)程中的分離標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。幾何準(zhǔn)則主要通過(guò)變形體的幾何尺寸的變化來(lái)判斷分離與否；而物理準(zhǔn)則主要是基于制定的一些物理量的值是否達(dá)到了臨界值而建立的，主要有基于等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則、基于應(yīng)變能量密度準(zhǔn)則、斷裂應(yīng)力準(zhǔn)則等[10]。鈦合金在鉆削過(guò)程中，鉆頭將試件材料剪切分離，因此，在使用Deform 3D仿真過(guò)程中，采用了Normalized Cockcroft & Latham分離準(zhǔn)則[11]，如式(2)所示。當(dāng)超過(guò)臨界破壞值Ci時(shí)，則認(rèn)為材料從本體中分離出來(lái)。

(2)

2 鉆削試驗(yàn)

本試驗(yàn)在Z5125A立式鉆床上進(jìn)行，刀具為標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆，試件材料為鈦合金，鉆削參數(shù)見表1。加工過(guò)程中的溫度通過(guò)圖4的電路進(jìn)行采集。電路由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、電路放大器和數(shù)據(jù)采集卡三部分組成，其中熱電偶采用電焊的方式焊接在試件底部。

表1 鉆削試驗(yàn)參數(shù)表

圖5為試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)圖，試驗(yàn)參數(shù)如下：鉆頭直徑6.8 mm，鉆頭進(jìn)給速率0.112 mm/r，鉆頭切削速度10.7 m/min。

圖4 溫度測(cè)量原理圖

圖5 試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 鉆削力

圖6和圖7分別給出了10.7 m/min和17.0 m/min速度下的鉆削力仿真與試驗(yàn)結(jié)果。

仿真與試驗(yàn)的扭矩誤差分別為-8.3%和10.9%；軸向力誤差分別為-12.15%和-12.77%；仿真是建立在理論模型的基礎(chǔ)上的，它的精度取決于仿真參數(shù)和材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，在可接受誤差范圍內(nèi)，故鉆削仿真是有研究意義的。

a)扭矩

b)軸向力圖6 10.7 m/min時(shí)的鉆削力

a)扭矩

b)軸向力圖7 17.0 m/min時(shí)的鉆削力

3.2 鉆削溫度

圖8給出了10.7 m/min和17.0 m/min速度下的鉆削溫度。鉆削溫度仿真的誤差分別為9.87%和14.7%。

鈦合金鉆削溫度隨進(jìn)給量的增大而升高。其產(chǎn)生的原因是進(jìn)給量越大，單位時(shí)間的切除量越大，生成的熱量越多，故綜合看鉆削溫度隨進(jìn)給量的增大而升高。

a)10.7 m/min

b)12.8 m/min

c)17.0 m/min圖8 鉆削溫度

4 結(jié)論

1)建立了熱應(yīng)力耦合有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)鈦合金鉆削力和鉆削溫度。扭矩，軸向力以及溫度的鉆削過(guò)程曲線與仿真鉆削過(guò)程曲線較為吻合，誤差在可接受范圍內(nèi)，可用于預(yù)測(cè)鈦合金鉆削各種參數(shù)對(duì)鉆削過(guò)程的影響。

2) 仿真研究可以彌補(bǔ)試驗(yàn)存在的一些不足，用于評(píng)估制造過(guò)程參數(shù)對(duì)滑軌制造精度的影響。