鈦合金側(cè)銑加工殘余應(yīng)力與變形研究

王卓，曹珍珍，楊青平， 張立強(qiáng)

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.成都永峰科技有限公司，四川成都 610511)

0 前言

在表面質(zhì)量研究方面，主要以銑削參數(shù)對(duì)加工表面殘余應(yīng)力影響的研究為主。DENKENA等利用球頭銑刀對(duì)焊接件TC4進(jìn)行五軸銑削，試驗(yàn)表明：切削刃半徑對(duì)殘余應(yīng)力影響最大，其次是進(jìn)給量。CHENG等利用高斯回歸法對(duì)加工表面殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，相比切削速度與切削深度，進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力影響最大。ZHOU和YANG建立了銑削復(fù)雜表面殘余應(yīng)力的解析模型，該解析模型能夠很好地預(yù)測(cè)復(fù)雜表面的殘余應(yīng)力。LIU等利用有限元法研究刀具幾何參數(shù)對(duì)加工高溫合金產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：負(fù)前角能夠產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力。黃堯等人考慮銑削路徑與銑削參數(shù)對(duì)鈦合金加工進(jìn)行有限元仿真，結(jié)果表明銑削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響最大。李軍等人對(duì)銑削加工TC4合金表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著銑削參數(shù)的增加，表面殘余應(yīng)力也增加。WAN等綜述了殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、有限元模型、解析建模。SUN和GUO發(fā)現(xiàn)增加端銑TC4進(jìn)給量可轉(zhuǎn)變殘余應(yīng)力的拉伸方向，而切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響則相反。

針對(duì)銑削力引起的變形的研究較多，而對(duì)加工誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力引起的變形的研究較少。本文作者通過有限元軟件建立2D切削模型，考慮每齒進(jìn)給量與刀具刃口半徑的變化對(duì)加工殘余應(yīng)力的影響，通過切削仿真得到加工殘余應(yīng)力，然后將殘余應(yīng)力施加到薄壁有限元模型中，研究加工殘余應(yīng)力與變形的關(guān)系，并通過加工試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的有效性。

1 有限元建模

1.1 切削有限元模型

在航空產(chǎn)業(yè)中，薄壁件的加工是金屬切削中的典型應(yīng)用，通常這類薄壁件的加工采用銑削的方式。薄壁件加工過程中伴隨著銑削力的產(chǎn)生，銑削力是解釋加工變形、“讓刀”變形、切削熱的產(chǎn)生、加工過程中的塑性變形等現(xiàn)象的依據(jù)。由圖1可知，由于銑刀結(jié)構(gòu)的特殊性，銑削過程中未變形切屑厚度是變量，銑削時(shí)任一刀齒的一點(diǎn)是次擺線向前運(yùn)動(dòng)的，在銑削過程中，銑刀一個(gè)刀齒切削長(zhǎng)度為，根據(jù)式(2)可知，切削長(zhǎng)度只與銑削寬度有關(guān)：

圖1 單齒銑削示意

=sin

(1)

(2)

式中:為包含角;為切削寬度;為刀具半徑;為未變形切削厚度;為單齒有效切削長(zhǎng)度。

為提高有限元仿真效率，將3D模型簡(jiǎn)化為2D切削模型。根據(jù)等效面積法，銑削時(shí)未變形切屑厚度轉(zhuǎn)換為等效切削厚度。將等效切削厚度作為2D模型中的切削深度,公式如式(3)所示。根據(jù)式(2)建立一個(gè)刀齒的有效切削長(zhǎng)度，如圖2所示。刀具采用硬質(zhì)合金刀具，前角為5 ℃，后角為12 ℃。

圖2 2D切削示意

(3)

1.2 TC4材料屬性與切屑分離準(zhǔn)則

工件材料采用TC4合金，物理屬性如表1所示；刀具采用硬質(zhì)合金刀具，物理屬性如表2所示。

表1 TC4物理屬性

表2 硬質(zhì)合金物理屬性

金屬切削過程是復(fù)雜的熱力耦合過程，存在著大變形、高應(yīng)變率現(xiàn)象。仿真模型中選擇合適的本構(gòu)模型能較為準(zhǔn)確地描述實(shí)際加工，因此Johnson-Cook本構(gòu)模型常作為材料本構(gòu)模型，參數(shù)如表3所示。

表3 Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)

切屑分離準(zhǔn)則有物理準(zhǔn)則與幾何準(zhǔn)則，文中采用Johnson-Cook動(dòng)態(tài)失效模型，如公式(4)所示：

(4)

表4 Johnson-Cook失效參數(shù)

1.3 TC4薄壁件加工變形建模

工件尺寸為70 mm×25 mm×3 mm，為仿真結(jié)果與閉腔實(shí)際加工過程中相似的約束條件，對(duì)工件側(cè)面與底面施加約束。仿真后，采用有限元軟件預(yù)應(yīng)力施加的功能施加殘余應(yīng)力，通過仿真實(shí)現(xiàn)加工誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力對(duì)TC4薄壁件的加工變形仿真。由于加工誘導(dǎo)殘余應(yīng)力引起的變形本質(zhì)上屬于彈性變形，在有限元軟件中材料的屬性只設(shè)置材料密度與彈性。圖3所示為薄壁結(jié)構(gòu)有限元仿真模型。

圖3 薄壁結(jié)構(gòu)有限元模型

2 銑削試驗(yàn)

使用閉框結(jié)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)側(cè)壁銑削試驗(yàn)，試件尺寸如圖4所示。采用鈦合金TC4作為試驗(yàn)材料，其屬性如表1所示。采用C100P立臥轉(zhuǎn)換加工中心；刀具使用硬質(zhì)合金圓角銑刀，銑刀直徑為16 mm，螺旋角為35°，齒數(shù)為4，圓角半徑為3 mm。為避免刀具撓度變形對(duì)加工結(jié)果產(chǎn)生影響，刀具夾持深度應(yīng)盡可能深，如圖5所示。潤(rùn)滑方式為乳化液潤(rùn)滑。銑削時(shí)切削深度為7 mm、切削寬度為0.5 mm。由于刀具刃口半徑對(duì)加工殘余應(yīng)力影響最大，將它作為銑削試驗(yàn)的變量，進(jìn)行加工試驗(yàn)。銑削試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表5所示，并選取試驗(yàn)組1與4進(jìn)行加工試驗(yàn)。利用三坐標(biāo)測(cè)量計(jì)測(cè)量圖4所示的與邊距離頂面2.5 mm處方向的變形。殘余應(yīng)力采用PROTO X射線衍射儀測(cè)量，PROTO X射線衍射儀測(cè)量如圖6所示。

圖4 閉腔加工特征

圖5 刀具實(shí)物

表5 單因素試驗(yàn)參數(shù)

圖6 PROTO X 射線衍射儀

3 結(jié)果分析

3.1 殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力是由塑性變形、刀具刃口對(duì)已加工表面的犁耕、刀具后刀面對(duì)已加工表面的摩擦等綜合作用產(chǎn)生的。通過2D切削仿真分別分析每齒進(jìn)給量、刀具刃口半徑對(duì)圖3方向的殘余應(yīng)力與方向的殘余應(yīng)力的影響，并將試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行比較分析。

由圖7可知：隨著每齒進(jìn)給量的增加，、向表面殘余壓應(yīng)力逐漸增大，這是由于每齒進(jìn)給量的增加，增大了刀具后刀面對(duì)工件的犁耕效應(yīng)，使得殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);當(dāng)測(cè)試點(diǎn)距離表面的深度大于0.01 mm時(shí)，殘余應(yīng)力隨著深度的增加變化不大。

圖7 每齒進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

由圖8可知：刃口半徑從0.02 mm變?yōu)?.04 mm時(shí)，向表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值由442 MPa 減少到412.3 MPa，平均變化幅度為2%，向表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值由254 MPa 減少到215 MPa，平均變化幅度為12%。可見，刀具刃口半徑對(duì)向殘余壓應(yīng)力影響較大。

圖8 刀具刃口半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響

由圖9可知:與向殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)值與仿真雖然有誤差，但趨勢(shì)基本一致，最大殘余應(yīng)力誤差約為20%。這是由于仿真分析是基于切削理論基本假設(shè)的理想情況進(jìn)行的，而實(shí)際加工過程中，各種因素耦合作用使得測(cè)得的殘余應(yīng)力與仿真結(jié)果不同。

圖9 每齒進(jìn)給量為0.06、0.08 mm時(shí)表面殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

3.2 變形分析

由圖10可知：每齒進(jìn)給量由0.06 mm增加到0.08 mm時(shí),最大變形量絕對(duì)值由0.024 mm增大到0.031 mm,增加幅度約為30%。這是由于每齒進(jìn)給量增加，導(dǎo)致銑削力隨之增加，表面殘余應(yīng)力也隨之增加。

圖10 每齒進(jìn)給量對(duì)側(cè)壁的影響 圖11 刃口半徑對(duì)側(cè)壁的影響

由圖11可知：隨刃口半徑增大，最大變形量逐漸減小。這是由于刃口半徑增大，表面殘余應(yīng)力減小，使得加工后的最大變形量也減少。

如圖12所示，在每齒進(jìn)給量為0.06、0.08 mm時(shí)，試驗(yàn)與仿真加工變形量趨勢(shì)基本一致，最大變形量皆出現(xiàn)在側(cè)壁的中間位置，試驗(yàn)值與仿真值平均誤差約為12%；在相同的進(jìn)給量下，實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)有偏差，這是由于在加工過程中，刀具對(duì)側(cè)壁的力與側(cè)壁對(duì)刀具的力是相對(duì)的，會(huì)出現(xiàn)刀具對(duì)側(cè)壁的過切現(xiàn)象，使得仿真值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)偏差。

圖12 變形量實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

4 結(jié)論

建立2D有限元仿真模型，研究了每齒進(jìn)給量與刀具刃口半徑對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響，并利用加工殘余應(yīng)力對(duì)側(cè)壁變形進(jìn)行分析。結(jié)果表明：

(1)隨著刃口半徑的增大，表面殘余壓應(yīng)力有減小的趨勢(shì)；隨著每齒進(jìn)給量的增大，表面殘余壓應(yīng)力也隨之增大；當(dāng)距離表面深度大于0.01 mm時(shí)，殘余應(yīng)力基本保持不變；

(2)通過有限元分析殘余應(yīng)力引起的變形，得到側(cè)壁變形量隨著每齒進(jìn)給量的增加而增加，隨著刃口半徑的增加而減小。在每齒進(jìn)給量為0.06、0.08 mm時(shí)，仿真與試驗(yàn)得到的側(cè)壁變形量的變化趨勢(shì)基本一致。