基于ABAQUS的超聲橢圓振動車削GH4169的切削性能研究

魏正義，高興軍，鄧子龍，凡 林

（遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001）

GH4169鎳基高溫合金（GH4169，下同）因具有強度及硬度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、核工業(yè)等領(lǐng)域。但是，它屬于典型的難加工材料，在普通車削加工過程中會出現(xiàn)嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，還會出現(xiàn)切屑黏附及切削力過大等問題，限制了其潛在應(yīng)用。為了解決這些難題，提高加工效率，改善加工質(zhì)量，采用超聲橢圓振動輔助切削加工。

超聲振動切削是一種先進的切削加工技術(shù)，通過給刀具施加高頻微小振幅產(chǎn)生橢圓振動，從而實現(xiàn)刀具與工件之間的周期性分離，收到好的加工效果[1]，其在難加工材料的加工方面具有很好的應(yīng)用價值[2]。橢圓振動切削由E.Shamoto等[3]于20世紀(jì)90年代首次提出，隨后不斷有學(xué)者陸續(xù)展開研究。C.Nath等[4]研究了超聲輔助車削Inconel 718時刀具振動頻率、振幅及切削速度對切削力的影響規(guī)律。N.Ahmed等[5]利用MSC MARC軟件模擬了超聲輔助車削過程，得出其平均切削力小于普通車削的結(jié)論。S.Koshimizu[6]進行了超聲振動輔助車削鈦合金的試驗研究。結(jié)果表明，與普通車削相比，超聲振動輔助車削的切削抗力可以降低1/2到1/3，同時發(fā)現(xiàn)超聲振動輔助車削能夠減小刀具磨損，提高表面加工質(zhì)量，并且當(dāng)切削速度為30 m/min時加工效果最佳。S.Patil等[7]利用Deform軟件建立二維有限元模型，并對鈦合金Ti-6Al-4V進行了超聲振動輔助車削相關(guān)的試驗研究。結(jié)果表明，與普通車削相比，超聲振動輔助車削能夠降低切削力和切削溫度，同時可以改善已加工表面質(zhì)量和切屑形態(tài)。G.D.Kim等[8]對難加工材料進行超聲橢圓振動車削試驗。結(jié)果表明，超聲橢圓振動車削可以降低切削力，改善加工質(zhì)量。S.Y.Lin等[9]采用仿真與試驗相結(jié)合的方法，研究了超聲振動輔助車削Inconel 718的過程。結(jié)果表明，采用超聲振動輔助加工技術(shù)減小切削力的效果非常顯著。路冬等[10]進行超聲振動輔助車削鈦合金TC4試驗，并對其試驗數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果表明，超聲橢圓振動可以大幅度減小切削力。Y.B.Wu等[11]對Inconel 718進行超聲輔助振動切削試驗，研究了不同切削參數(shù)對切削過程的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動輔助切削能降低切削力，減少刀具磨損，改善加工質(zhì)量。L.Mohammad等[12]對鈦合金Ti-6Al-4V進行了超聲橢圓振動輔助車削試驗研究。結(jié)果表明，超聲橢圓振動可以顯著降低切削力，降低表面粗糙度。綜上，采用超聲橢圓振動輔助切削可以有效地降低切削力，改善加工質(zhì)量，提高加工效率。

本文利用ABAQUS軟件建立二維正交車削有限元模型，以GH4169為對象，研究了超聲橢圓振動車削過程中切削速度和振幅對切削力的影響，以及刀具軌跡的變化情況。該研究可為后續(xù)開展鎳基高溫合金超聲橢圓振動車削加工的實際應(yīng)用提供理論支撐和試驗基礎(chǔ)。

1 超聲橢圓振動車削運動學(xué)分析

超聲橢圓振動車削原理：在切削方向和切屑流出方向的平面內(nèi)，刀具分別在X軸方向（切向）和Y軸方向（徑向）施加超聲振動激勵，通過運動合成進行周期性的斷續(xù)切削加工。

刀具運動軌跡表達式為：

刀具相對于工件的運動軌跡表達式為：

式中，a為X軸方向的振幅，μm；b為Y軸方向的振幅，μm；φ為相位差，（°）；f為振動頻率，Hz；V為切削速度，m/min；t為時間，min。

超聲橢圓振動車削分為分離型與不分離型。不分離型是指刀具和工件在切削過程中始終處于接觸狀態(tài)；分離型是指在切削過程中刀具與工件接觸和分離呈現(xiàn)周期性規(guī)律，從而利于切削熱擴散，降低切削力以及延長刀具壽命。定義速比K=Vc/Vmax=Vc/（2πfAx）。其 中，Vc為 切 削 速 度，m/min；Vmax為臨界速度（刀具在切削方向上最大的振動速度），m/min；Ax為振幅，μm。當(dāng)K＞1時，為分離型橢圓振動，即切削速度大于臨界速度，在切削過程中刀具與工件會產(chǎn)生分離；當(dāng)K＜1時，為不分離型橢圓振動，即切削速度小于臨界速度，在切削過程中刀具與工件不產(chǎn)生分離。刀具-工件凈切削時間比r=tc/T，是指一個完整的周期內(nèi)刀具實際切削時間tc與振動周期T的比值，r決定超聲橢圓振動切削效果。當(dāng)r值較小時，分離效果明顯，超聲振動切削的優(yōu)勢也明顯。本文采用分離型車削，其運動原理如圖1所示。由圖1可知，經(jīng)過刀具的入刀階段、切削階段、切削完成階段、退刀階段，即完成一個周期的切削。

圖1 超聲橢圓振動車削原理

2 有限元模型的建立

2.1 材料本構(gòu)方程

選用Johnson-Cook[13]材料模型描述了材料的塑性應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系，并且考慮了應(yīng)變率和溫度的影響，更適用于切削模擬，其表達式為：

式 中，A為 參 考 初 始 應(yīng) 力，MPa；B為 硬 化 模 量，MPa；n為硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率強化系數(shù)；m為熱軟化指數(shù)；ε˙0為參考應(yīng)變率；Tr為參考溫度，℃；Tm為熔化溫度，℃；為等效應(yīng)變率；ε˙為應(yīng)變率；T為初始溫度，℃。

2.2 有限元建模

在研究GH4169鎳基高溫合金車削過程中，通過查閱文獻[14]獲取了材料的本構(gòu)模型性能參數(shù)，相關(guān)參數(shù)見表1和表2。表1中，C、n、m、D1—D5均為材料模型的無量綱參數(shù)。

表1 GH4169的Johnson-Cook模型損傷參數(shù)

表2 GH4169的材料屬性

建立GH4169的二維正交車削有限元模型，結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元模型與車削過程

工件尺寸為1.5 mm×0.5 mm，左側(cè)與底部設(shè)置為完全固定，選用前角為7°、后角為10°的硬質(zhì)合金刀具。頻率為20 kHz，振幅為5～23 μm，切削速度為18～90 m/min，切削深度為0.1 mm。采用CPE4R縮減積分網(wǎng)格進行劃分，對工件與刀具接觸切削區(qū)域進行網(wǎng)格細化，非接觸切削區(qū)域進行稀疏劃分。采用這種過渡網(wǎng)格劃分法，可以達到減少網(wǎng)格數(shù)量、提高運算速度的效果，確保仿真計算順利進行。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 刀具和工件分離仿真分析

超聲橢圓振動車削一個振動周期切削過程如圖3所示。圖3中的入刀階段為刀具開始切削工件時的狀態(tài)，切削階段為刀具正在切削工件時的狀態(tài)，切削完成階段為將要與工件分離的狀態(tài)，退刀階段為刀具與工件分離，完成一個周期的切削，為下一個周期切削進行準(zhǔn)備的階段。仿真分析結(jié)果與圖1中的超聲橢圓振動車削基本原理相符。

圖3 超聲橢圓振動車削一個振動周期切削過程

3.2 刀具軌跡分析

不同切削速度下的刀具軌跡如圖4所示。

圖4 不同切削速度下的刀具軌跡

由圖4（a）及圖4（b）可以看出，當(dāng)切削速度為18、30 m/min時，刀具在切削過程中形成的橢圓軌跡非常明顯。從圖4（c）—（e）可以看出，隨著切削速度的逐漸增大，加工過程中的橢圓軌跡越來越不明顯，超聲橢圓振動分離型車削逐漸向不分離型過渡。由圖4（f）可以看出，在切削速度（90 m/min）大于臨界速度（75.36 m/min）時，刀具在加工過程中的運動軌跡不再是橢圓軌跡，而是形成了超聲橢圓振動不分離型車削。因此，應(yīng)避免大于臨界速度的情況出現(xiàn)，選取合適的切削速度。

3.3 CT和UEVT平均切削力對比分析

采用單一變量法，設(shè)定切削深度為0.1 mm，振動頻率為20 kHz，振幅為10 μm，改變切削速度，研究了普通車削（CT）和超聲橢圓振動車削（UEVT）在切削過程中切削力的差異，結(jié)果如圖5所示。

圖5 切削速度對平均切削力的影響

由圖5可知，在切削速度為18、30、45、60、72、90 m/min時，普通車削的平均切削力分別為45.4、48.7、49.6、50.2、50.1、53.1 N，而超聲橢圓振動的平均切削力分別為19.1、22.6、29.6、38.0、44.6、55.4 N；當(dāng)切削速度小于臨界速度時，超聲橢圓振動車削的平均切削力均低于普通車削，且切削速度為18 m/min時，平均切削力的降幅達到了58%，效果最為顯著；隨著切削速度的增加，其平均切削力的降幅越來越小。這是因為：切削速度的增加，使刀具和工件之間的分離特性逐漸減弱，刀具-工件凈切削時間比增大，即在一個振動周期內(nèi)刀具切削工件的時間會增加，從而使平均切削力增大，與圖4中的刀具軌跡分析相吻合。當(dāng)切削速度（90 m/min）大于臨界速度時，刀具和工件之間為不分離型切削，平均切削力反而高于普通車削。因此，在超聲橢圓振動車削時，采用低速切削可以獲得更好的切削效果。

3.4 振幅對平均切削力影響

設(shè)定切削速度為60 m/min，振動頻率為20 kHz，將振幅從0增加到23 μm，研究了振幅對平均切削力的影響，結(jié)果如圖6所示。圖6中，振幅為0表示普通切削，切削力為50.2 N。由圖6可以看出，當(dāng)振幅為5、10、18、23 μm時，超聲橢圓振動車削過程的平均切削力分別為50.1、38.0、23.6、20.5 N，平均切削力的降幅分別為0.2%、24.3%、53.0%、59.2%，明顯低于普通車削過程。這是因為在振動頻率一定時，隨著振幅的增大，刀具與工件之間的分離特性更加明顯，凈切削時間比降低，即在一個振動周期內(nèi)刀具切削工件的時間減少，從而使平均切削力降低。本文的仿真結(jié)果與C.Nath等[4]的試驗結(jié)果具有相同的趨勢。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，增大振幅可以有效降低切削力，改善切削質(zhì)量。

圖6 振幅對平均切削力的影響

4 結(jié)論

利用軟件ABAQUS，建立二維正交車削有限元模型，運用超聲橢圓振動車削及普通車削方法對GH4169鎳基高溫合金進行了仿真加工并進行了對比分析。研究切削速度、振幅對切削力及刀具軌跡的影響，得到如下結(jié)論：（1）切削速度不可超過臨界速度，否則會影響超聲橢圓振動加工效果；（2）與普通車削相比，超聲橢圓振動車削技術(shù)在降低切削力方面具有優(yōu)越性，應(yīng)選擇相對較小的切削速度；（3）在超聲橢圓振動車削中，增大振幅可達到減小凈切削時間、降低切削力、延長刀具壽命的目的。