TC4鈦合金圓弧形槽切削加工刀具仿真及設(shè)計(jì)

葛傳志，楊林嵩，朱留憲

1四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2四川省高溫合金切削工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)室；3西南交通大學(xué)

1 引言

鈦合金因強(qiáng)度高、耐蝕性和耐熱性好等特點(diǎn)被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。但是鈦合金屬于難加工材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小等特點(diǎn)[1]，加工過程中刀具磨損嚴(yán)重。

加工的鈦合金刀具一般有高速鋼刀具、硬質(zhì)合金鋼刀具和超硬刀具，價(jià)格依次遞增。國內(nèi)外很多學(xué)者對鈦合金切削及其加工刀具進(jìn)行了深入研究，Lockheed公司最早于20世紀(jì)50年代嘗試以不同速度(6～220m/min)對Ti6A14V進(jìn)行銑削試驗(yàn)[2]。Kitagawa T.等[3]經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，使用K10硬質(zhì)合金銑刀超高速切削Ti6Al6V2Sn鈦合金時(shí)，切削速度可達(dá)630m/min。P.D.Hartung等[4]應(yīng)用WC-Co基硬質(zhì)合金和PCD刀具切削鈦合金時(shí)，刀具中的碳元素會(huì)與Ti6A14V鈦合金切屑瘤在接觸界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成TiC，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散速度被阻隔后將有效減緩切削刀具的磨損。陳五一等[5]采用YG8、YT14類硬質(zhì)合金對鈦合金進(jìn)行刀具磨損實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)YT類刀具更容易發(fā)生粘結(jié)磨損。周超等[6]認(rèn)為可以采用高溫性能好的高速鋼作為鉸刀和拉刀的刀具材料。目前，國內(nèi)鮮有將高速鋼作為鈦合金銑削刀具的研究報(bào)道。

如圖1所示，深海鉆鋌回路塊材料為鈦合金，該圓柱形回路塊側(cè)面需要銑削4個(gè)圓弧形槽。由于鈦合金導(dǎo)熱性差，加工時(shí)熱量會(huì)集中于切削點(diǎn)，因此要求刀具材料具備耐高溫特性，一般采用涂層刀具和超硬刀具，但價(jià)格較貴[7-10]。

圖1 銑削圓弧形槽的UG模型

本文設(shè)計(jì)了一種加工此類鈦合金圓弧形槽的專用刀具，以W18Cr4V高速鋼作為刀具材料，嚴(yán)格控制刀具幾何參數(shù)，刀桿裝有徑向微調(diào)螺釘，可以微調(diào)切削圓柱弧面徑向半徑。刀具有4個(gè)刃口，每側(cè)有兩刃，雙刀刃同時(shí)加工，使工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.8μm。采用圓弧形刃口，刀具幾何參數(shù)也有助于清根，垂直度誤差不超過0.02mm，加工工件效果可等同于涂層刀具和超硬刀具，成本卻大幅度降低。

2 刀具形狀及參數(shù)設(shè)計(jì)

表1為TC4鈦合金的化學(xué)成分。對于鈦合金工件凹槽成型加工，當(dāng)主偏角過小時(shí)，雖然刀頭刀尖處強(qiáng)度高，加工表面粗糙度較好，但切削時(shí)的徑向力大，軸向力??；當(dāng)主偏角過大時(shí)，則軸向力大，徑向力較小。在加工時(shí)，主偏角過大會(huì)增加刀頭長度，從而增加軸向切削進(jìn)給時(shí)的阻力，而主偏角過小會(huì)在刀尖處與工件之間形成點(diǎn)接觸，增加徑向切削進(jìn)給時(shí)的阻力[11-14]。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分 (%)

這里僅對刀片主切削刃刀頭主偏角進(jìn)行合理的設(shè)置，使主切削刃和副切削刃具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在鏜銑加工鈦合金工件圓柱形凹槽時(shí)能夠提供較好的徑向和軸向切削力，在保證表面加工精度的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對凹槽的鏜銑清根處理。

圖2 正等側(cè)

圖2為16mm×15mm×8mm刀片，刀頭寬度為2～5mm，兩刀頭間距為2～5mm。刀片采用W18CR4V高速鋼，抗彎強(qiáng)度為2.7～3.8GPa，沖擊韌度為0.23～0.30mJ/m2，在常溫和高溫下具有較高的強(qiáng)度和硬度，適用于加工高強(qiáng)度耐熱鋼、高溫合金和鈦合金工件，刀具主要幾何參數(shù)分別見圖3和圖4，刀具主要幾何參數(shù)和切削參數(shù)見表2。

該刀片可鏜銑直徑10～300mm的圓柱形凹槽，并能實(shí)現(xiàn)凹槽的一次清根處理，加工表面粗糙度可達(dá)0.8μm。

圖3 刀片刃傾角和主后角

圖4 刀片主偏角和副偏角

表2 刀具主要幾何參數(shù)和切削參數(shù)

3 基于SPH算法原理的仿真計(jì)算

3.1 SPH算法原理

SPH算法是無網(wǎng)格法，不使用單元，而是使用固定質(zhì)量的可動(dòng)點(diǎn)，其基本思想是用連續(xù)體相互作用的質(zhì)點(diǎn)描述物質(zhì)點(diǎn)的各種物理量(如質(zhì)量、速度以及加速度等)，通過求解質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力微分方程，求得系統(tǒng)的力學(xué)行為。SPH算法允許存在于材料界面，在模擬大變形、大應(yīng)變、斷裂和破碎等方面有較大優(yōu)勢，因此本文采用SPH算法模擬金屬切削過程。

將UG建立的裝配體三維模型以中間格式(.igs、.step以及.x_t等)導(dǎo)入HYPERMESH中進(jìn)行單元離散，網(wǎng)格單元尺寸為0.6mm，單元數(shù)30881，建立切削刀具有限元模型。使用LS-PREPOST建立工件SPH模型，SPH粒子間距為0.1mm，SPH單元數(shù)為39400，刀具切削加工深海鉆鋌零件過程的有限元模型見圖5。

3.2 材料模型

刀具材質(zhì)為W18Cr4V高速鋼，因相對于金屬工件變形較小，刀具采用剛體材料，不考慮刀具磨損及變形，其密度為7.85kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.33。在金屬切削過程中，工件發(fā)生高度非線性塑性破壞，選取Johnson-Cook本構(gòu)模型作為工件的材料模型，該模型是Von Mises塑性模型中的一種特殊形式，適用于解決金屬材料應(yīng)變率變化范圍大、塑性硬化和熱軟化等問題，可以反映切削過程中材料的流動(dòng)應(yīng)力。Johnson-Cook材料模型為

(1)

具體材料參數(shù)見表3。

表3 Ti6A14V鈦合金的本構(gòu)模型

3.3 邊界條件

刀具沿坐標(biāo)系X軸負(fù)方向移動(dòng)，切削速度為0.5m/s，約束刀具Y，Z軸方向的平動(dòng)自由度以及繞X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，對工件底部施加SPC約束，約束工件X，Y，Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。仿真計(jì)算模型添加點(diǎn)面侵蝕接觸(eroding-nodes-to-surface)，工件為從面，刀具為主面。靜摩擦系數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。

3.4 仿真結(jié)果分析

求解完成后，采用LS-PREPOST軟件進(jìn)行結(jié)果分析。由圖6和圖7可看出，隨著刀具向前切削，工件在刀尖處產(chǎn)生較大塑性應(yīng)變，隨后塑性應(yīng)變沿著刀具和切削的接觸面不斷擴(kuò)散，最終形成切屑。由圖8所示的切削力隨時(shí)間變化曲線可以看出，在金屬切削過程中，切削力逐漸增大，最大值為1130N，隨著切削過程的進(jìn)行，切削力在某一值附近上下波動(dòng)，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際切削狀態(tài)吻合。

圖6 切削狀態(tài)

圖7 加工鈦合金工件時(shí)的應(yīng)力及加工三維模型

圖8 切削力隨切削時(shí)間的曲線

圖9 加工工件

4 切削結(jié)果分析

采用HASSVMC1000S三軸銑床，兩種刀片材料均為TiAlN涂層硬質(zhì)合金，刀盤型號(hào)為FMAX-080-A27-ON08-06C，為方便加工，本文設(shè)計(jì)了相同參數(shù)結(jié)構(gòu)的單刃口刀具，采用C6132A高速銑床，切削參數(shù)對刀之后，進(jìn)給量設(shè)定為200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為300～400r/min，切削速度為20～30m/min，徑向背吃刀量為1.5mm，加工結(jié)果如圖9所示。被加工工件表面精度為Ra0.8μm，達(dá)到高精高效加工標(biāo)準(zhǔn)。因此，專門用于鈦合金圓弧形槽銑削加工的高速鋼刀具可達(dá)到預(yù)期效果，仿真結(jié)果與切削實(shí)例吻合程度較高，該刀片槽型有利于降低刀具軸向切削力，改善加工過程中機(jī)床和工件振動(dòng)問題。

5 結(jié)語

采用有限元切削仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效可視化建模以及虛擬實(shí)驗(yàn)，基于有限元仿真計(jì)算結(jié)果分析指導(dǎo)刀具設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種設(shè)計(jì)方法縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

有限元切削仿真和實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用有限元切削仿真可以模擬不同方案下刀具的切削力以及切屑的形成方式，對于可轉(zhuǎn)位銑削刀具和可轉(zhuǎn)位銑削刀片槽型的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。