基于DEFORM-3D對(duì)300M切削燒傷進(jìn)行分析及加工過(guò)程改善

劉壯壯，周鵬

航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司 陜西西安 710007

1 序言

在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)民航飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為滿足飛機(jī)長(zhǎng)壽命、易維護(hù)、輕量化等需求，飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)向整體化、復(fù)雜化、薄壁化等方向發(fā)展，因此越來(lái)越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用新型材料，提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

隨著材料技術(shù)、鍛造技術(shù)、制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使用超高強(qiáng)度合金鋼制造大型飛機(jī)起落架主承力結(jié)構(gòu)件成為必然的選擇。300M材料具有良好的力學(xué)性能，因此廣泛應(yīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵零部件。

2 300M的材料特性

2.1 金屬特性

超高強(qiáng)度合金鋼300M是美國(guó)航空工業(yè)一種重要的合金鋼，在化學(xué)、物理方面具有獨(dú)特的性能，概括如下。

300M是一種低碳、低合金含量的鋼，與非合金鋼相比，具有較高的強(qiáng)度，固有“低合金超高強(qiáng)度鋼”之稱。其屈服點(diǎn)高，因此在相同載荷下，工件的質(zhì)量可以減輕20%～30%，具有良好的塑性和韌性，合金材料中含有Ni、Cr、Mo等元素，使鋼的過(guò)冷奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定，空淬即可獲得馬氏體和貝氏體組織。

2.2 加工特性

該材料具有良好的硬度，同時(shí)抗拉強(qiáng)度也非常高，正是因此，使得其非常難加工，屬于難加工材料，主要表現(xiàn)如下。

由于材料具有高的硬度和強(qiáng)度，原子密度和結(jié)合力大，斷裂韌度和持久塑性高，在切削過(guò)程中切削力大，而且切削力的波動(dòng)也比較大。加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量多，在切削區(qū)集中了大量的切削熱，形成很高的切削溫度。再加上強(qiáng)化系數(shù)高，在切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生巨大的塑性變形，造成加工硬化。由于切削時(shí)切削力大，切削熱高，刀具與切屑的直接摩擦加劇，所以導(dǎo)致刀具材料與工件材料產(chǎn)生親和作用，加上材料硬質(zhì)點(diǎn)的存在和嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，刀具在切削過(guò)程中易產(chǎn)生黏結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、磨料磨損和溝紋磨損，使刀具喪失切削的能力。切削時(shí)的切屑為帶狀的纏繞屑，既不安全，又影響切削過(guò)程的順利進(jìn)行，也不便于處理。在加工中容易產(chǎn)生熱變形，因而一些精密尺寸和形狀不易保證。

從300M的材料特性和加工特性來(lái)看，此材料在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生大量的切削熱，過(guò)多的切削熱會(huì)導(dǎo)致工件出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。

3 基于DEFORM-3D對(duì)工件切削熱進(jìn)行分析

本文結(jié)合已有的有限元分析技術(shù)，利用仿真軟件DEFORM-3D，對(duì)低合金超高強(qiáng)度鋼300M的加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，主要分析加工過(guò)程的切削熱以及切削區(qū)域的切削溫度，從而得到合適的加工參數(shù)。利用有限元軟件進(jìn)行模擬仿真主要有以下幾個(gè)步驟。

（1）建立幾何模型 在軟件中設(shè)置仿真切削工件的幾何形狀，包括直徑、長(zhǎng)度和厚度等。

（2）網(wǎng)格劃分 可采用任意拉格朗日歐拉法在工件內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使網(wǎng)格在求解過(guò)程中能隨著設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變。任意拉格朗日歐拉法非常適合模擬切削加工，被普遍應(yīng)用于模擬切削的研究中。

（3）定義初始條件 定義初始條件就是在DEFORM-3D中設(shè)置仿真加工的基本參數(shù)，具體設(shè)置如下。

1）設(shè)置切削參數(shù)。主要包括切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量等的設(shè)置。

2）工作環(huán)境和接觸面屬性設(shè)置。主要包括環(huán)境溫度、摩擦因數(shù)和熱導(dǎo)率等的設(shè)置。

3）刀具設(shè)置。主要包括刀具的角度、結(jié)構(gòu)及材料等的設(shè)置，也需要設(shè)置刀具的邊界條件等，本次模擬使用的刀具材料為硬質(zhì)合金WC。

4）工件參數(shù)設(shè)置。工件參數(shù)的設(shè)置包括工件材料、工件的邊界條件等，可從材料庫(kù)中選擇材料

300M。

5）設(shè)置模擬條件。包括運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)步數(shù)、終止及磨損條件的設(shè)置等。

（4）運(yùn)行模擬過(guò)程 完成加工模型前處理后，會(huì)生成DB文件。在文件菜單目錄文件下，可以運(yùn)行模擬過(guò)程。此時(shí)主要生成每一步的加工狀態(tài)，并保存下來(lái)，運(yùn)行模擬過(guò)程界面如圖1所示。

圖1 運(yùn)行模擬過(guò)程界面

（5）后處理 模擬過(guò)程運(yùn)行結(jié)束后，可以通過(guò)軟件后處理查看模擬仿真結(jié)果，包括切削過(guò)程中切削力、切削溫度、刀具應(yīng)力、刀具變形量和切屑的形成等。在軟件的后處理界面中，可以查看模擬加工過(guò)程中的溫度，如圖2所示。

圖2 模擬加工過(guò)程中的溫度

（6）模擬試驗(yàn) 為了充分分析加工參數(shù)（切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量）對(duì)工件切削區(qū)域的切削溫度的影響，設(shè)計(jì)多組加工參數(shù)進(jìn)行模擬分析，切削速度90～200m/min，背吃刀量0.05～0.4mm，進(jìn)給量0.05～0.1mm/r。

設(shè)置多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)，得出了切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響，模擬試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表1，其對(duì)應(yīng)的溫度分布曲線如圖3～圖5所示。隨著工件切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量的增加，切削溫度呈遞增趨勢(shì)。

表1 模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖3 切削速度對(duì)切削溫度的影響

圖4 背吃刀量對(duì)切削溫度的影響

圖5 進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響

4 加工過(guò)程改善

可以得出，在精加工時(shí)將切削速度控制在90～120m/min，背吃刀量控制在0.05～0.15mm，進(jìn)給量控制在0.05～0.10mm/r，就可以將工件切削區(qū)域的切削溫度控制在300℃以下，避免工件出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。

以現(xiàn)場(chǎng)加工的某工件為例，工件直徑為6 0 mm，切削速度為1 2 0 m/m i n，背吃刀量為0.1mm，進(jìn)給量為0.08mm/r。經(jīng)過(guò)切削后，產(chǎn)生的切屑為銀白色，無(wú)溫度過(guò)高導(dǎo)致變色的跡象，如圖6所示。工件表面光滑，無(wú)環(huán)狀紋路，目視無(wú)氧化膜，如圖7所示。可以判斷工件加工后無(wú)燒傷，酸腐蝕檢測(cè)表明工件合格。

圖6 工件切屑

圖7 工件加工后表面

以此試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論為基礎(chǔ)，能夠得出指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工的切削參數(shù)的大致范圍，對(duì)于加工過(guò)程的改善有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

300M材料是一種越來(lái)越被廣泛使用的材料，由于其特殊的性能，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量并導(dǎo)致工件表面燒傷，從而影響工件的加工。利用仿真軟件DEFORM-3D對(duì)加工過(guò)程中的切削溫度進(jìn)行模擬仿真，可以得出較為實(shí)用的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的加工生產(chǎn)，提高加工過(guò)程中技術(shù)問(wèn)題的處理效率，同時(shí)可以減少資源浪費(fèi)，縮短加工周期，降低成本，對(duì)于工件的順利生產(chǎn)有積極的促進(jìn)作用。