面銑刀銑削鈦合金時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力影響規(guī)律的仿真

閆凱強(qiáng)，黃曉斌，張仕杰，孫寶雨，高樂(lè)

1中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2山西省深孔加工技術(shù)研究中心

1 引言

作為正在崛起的“第三金屬”，鈦合金已成為新技術(shù)、新設(shè)備不可或缺的金屬材料，不僅被廣泛應(yīng)用于航天航空、武器裝備及船舶制造等高端裝備制造和軍事領(lǐng)域，而且在醫(yī)療器械和汽車制造等民用領(lǐng)域也隨處可見[1，2]。鈦合金中鈦元素極易在高溫下與空氣中的氧元素等化合，使材料變脆。而且因其導(dǎo)熱系數(shù)非常小，鈦合金在切削困難的同時(shí)易產(chǎn)生較高的切削溫度，嚴(yán)重影響了刀具壽命。

為了解決鈦合金加工困難和加工成本高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員進(jìn)行了大量的研究工作。楊禹等[3]針對(duì)降低鈦合金切削力的問(wèn)題，將超聲振動(dòng)引入鈦合金的銑削加工中，實(shí)現(xiàn)刀具和工件周期性接觸分離，降低了切削力，改善了加工質(zhì)量。杜紅春等[4]為優(yōu)化鈦合金機(jī)械加工參數(shù)，提出了一種基于量子粒子群算法的Kriging(克里金)代理模型，研究了加工參數(shù)對(duì)切削力的影響。Maurotto A.等[5]在鈦合金切削加工過(guò)程中，沿刀具進(jìn)給方向施加超聲振動(dòng)，相對(duì)于普通切削，切削力明顯降低。Kalipada Maity等[6]采用WM25CT切削刀片對(duì)鈦合金(Ti-6Al-4V)進(jìn)行加工，采用不同的切削速度、進(jìn)刀量和切削深度，分別研究了其對(duì)切削力、表面粗糙度、減屑系數(shù)和刀側(cè)磨損的影響。

面銑刀也稱為端銑刀，主要用于金屬大余量平面的高速銑削，在工作過(guò)程中銑削力過(guò)大和銑削溫度過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致刀齒加速磨損，同時(shí)影響金屬表面加工質(zhì)量，增加加工成本。本文利用SolidWorks三維建模軟件對(duì)面銑刀和鈦合金進(jìn)行三維建模，將建好的三維模型導(dǎo)入ABAQUS有限元仿真軟件中，在不同背吃刀量、切削速度和進(jìn)給量下進(jìn)行鈦合金切削仿真。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出在不同切削參數(shù)條件下，面銑刀銑削鈦合金時(shí)刀齒所受切削力的影響規(guī)律，以此選擇最優(yōu)切削參數(shù)來(lái)降低切削力。

2 建立有限元模型

2.1 確定材料本構(gòu)模型及分離失效準(zhǔn)則

面銑刀由銑刀盤和刀齒組成，切削的本質(zhì)是刀齒與工件之間的相互作用，所以切削過(guò)程中最易損傷部位是刀齒，刀盤不易損傷。為了使仿真試驗(yàn)與實(shí)際切削工作相似，本試驗(yàn)僅保留部分軸向刀盤，以保證四個(gè)刀齒固定在刀盤上，并以刀盤軸線為中心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)銑削工作，將部分刀盤與刀齒設(shè)為材料相同的硬質(zhì)合金，工件選用TC4鈦合金。硬質(zhì)合金刀齒與TC4鈦合金工件材料的物理特性見表1。

表1 刀齒和工件物理性能參數(shù)

采用金屬切削仿真常用的Johnson-Cook本構(gòu)方程描述鈦合金切削運(yùn)動(dòng)，其表達(dá)式為

(1)

參考文獻(xiàn)[8]中TC4鈦合金本構(gòu)模型參數(shù)和Johnson-Cook材料損傷參數(shù)，分別見表2和表3。

表2 TC4鈦合金的本構(gòu)模型參數(shù)

表3 TC4的Johnson-Cook材料損傷參數(shù)

2.2 建立面銑刀銑削鈦合金三維模型

為降低ABAQUS軟件仿真的難度和時(shí)間，面銑刀切削模型的尺寸應(yīng)盡量小，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)潔。使用四齒面銑刀進(jìn)行仿真，鈦合金工件選用30mm×50mm×10mm尺寸的立方體結(jié)構(gòu)，由于有限元仿真的局限性，在結(jié)構(gòu)參數(shù)和屬性不變的情況下，需對(duì)面銑刀模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略不影響仿真結(jié)果的特征。采用SolidWorks軟件建立的面銑刀三維模型和三維切削仿真簡(jiǎn)化模型見圖1。

(a)面銑刀模型

3 有限元仿真分析及結(jié)果分析

3.1 制定有限元仿真方案

通過(guò)仿真研究不同切削參數(shù)對(duì)面銑刀銑削鈦合金時(shí)刀齒切削力的影響，采用單因素實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，分析不同背吃刀量、銑削速度和進(jìn)給量時(shí)刀齒切削力的變化規(guī)律。

采用SolidWorks三維建模軟件建立鈦合金銑削模型，將建立好的三維模型導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中，對(duì)銑削模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。刀具采用四面體網(wǎng)格，在四個(gè)刀齒處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，工件采用六面體網(wǎng)格，并對(duì)其切削部分(上半部分)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。設(shè)置材料屬性進(jìn)行裝配，通過(guò)不同的裝配實(shí)現(xiàn)刀齒不同的背吃刀量，裝配后的模型見圖1b。

設(shè)置分析步后，施加不同的載荷，以實(shí)現(xiàn)不同的切削速度和每齒進(jìn)給量，相應(yīng)的關(guān)系式為

(1)

(2)

式中，vc為面銑刀切削速度；Dcap為面銑刀銑削直徑；n為主軸轉(zhuǎn)速，即面銑刀自轉(zhuǎn)的角速度，在ABAQUS有限元軟件的載荷中可以直接設(shè)置角速度；fz為每齒進(jìn)給量；zc為面銑刀的有效齒數(shù)，本文選用四齒面銑刀，故zc=4；vf為面銑刀進(jìn)給速度。

完成上述步驟后提交，開始仿真計(jì)算，等待仿真結(jié)束后，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 背吃刀量對(duì)切削力的影響分析

在鈦合金銑削過(guò)程中研究背吃刀量對(duì)切削力的影響，令背吃刀量為唯一變量，其它參數(shù)不變，進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如表4所示。

表4 背吃刀量為變量的參數(shù)

對(duì)比分析不同背吃刀量時(shí)應(yīng)力的變化情況，得到如圖2所示的Mises平均值應(yīng)力結(jié)果云圖。

分析可得，隨著背吃刀量的增加，單位刀齒受力降低，但通過(guò)計(jì)算，刀齒受到的總切削力明顯變大。說(shuō)明在其它銑削條件一定的情況下，隨刀齒背吃刀量的增大，所受的切削力也明顯變大。

(a)背吃刀量為2.25mm

3.3 銑削速度對(duì)切削力的影響分析

在鈦合金銑削過(guò)程中研究銑削速度對(duì)切削力的影響，令銑削速度為唯一變量，其它所有參數(shù)相同，進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)如表5所示。

表5 銑削速度為變量的參數(shù)

對(duì)比分析不同切削速度時(shí)應(yīng)力的變化情況，得到如圖3所示的Mises平均值應(yīng)力結(jié)果云圖。

(a)銑削速度為126m/min

分析可得，隨著銑削速度的提高，刀齒所受切削力逐漸降低，但是降低得不太顯著，這是因?yàn)殁伜辖饘儆诖嘈越饘伲娤鲿r(shí)其塑性變形較小。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改變切削速度對(duì)刀齒切削力的影響小于改變背吃刀量對(duì)其的影響。

3.4 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響分析

在鈦合金銑削過(guò)程中研究進(jìn)給量對(duì)切削力的影響，令進(jìn)給量為唯一變量，其它所有參數(shù)不變，進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)如表6所示。

表6 進(jìn)給量為變量的參數(shù)

分析對(duì)比不同進(jìn)給量時(shí)應(yīng)力的變化情況，得到如圖4所示的Mises平均值應(yīng)力結(jié)果云圖。

(a)每齒進(jìn)給量為0.35mm/z

分析可得，進(jìn)給量對(duì)刀齒切削力的影響與背吃刀量對(duì)刀齒切削力的影響性質(zhì)相同，隨著進(jìn)給量的增大，刀齒受到的切削力逐漸增大。進(jìn)給量增大時(shí)，變形系數(shù)減小，所以切削力并非與進(jìn)給量成正比增加，改變進(jìn)給量對(duì)刀齒切削力的影響小于改變背吃刀量對(duì)刀齒切削力的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)單因素變量法的切削仿真實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，背吃刀量、切削速度和進(jìn)給量對(duì)面銑刀銑削鈦合金過(guò)程中刀齒所受切削力都存在影響，并得到以下結(jié)論。

(1)面銑刀銑削鈦合金過(guò)程中，改變背吃刀量對(duì)刀齒所受切削力的影響程度最大，進(jìn)給量和切削速度次之。

(2)在中高速銑削鈦合金時(shí)，隨著銑削速度變快，刀齒所受切削力逐漸減小，但影響效果不太顯著。

(3)面銑刀刀齒所受切削力隨背吃刀量的增加而增大，但改變進(jìn)給量對(duì)切削力的影響小于改變背吃刀量對(duì)切削力的影響。

(4)研究發(fā)現(xiàn)，面銑刀應(yīng)在中高速銑削條件下銑削鈦合金，使用小背吃刀量和大進(jìn)給量進(jìn)行銑削，可以降低切削力并提高刀具壽命。