刀具負(fù)倒棱對(duì)Ti6Al4V干式切削的影響研究

趙慶軍，李海峽，賈天明，彭俊杰，唐輝陽(yáng)，杜明聰，2

1森泰英格(成都)數(shù)控刀具股份有限公司；2燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

Ti6Al4V鈦合金是目前應(yīng)用較為廣泛的高溫鈦合金，同時(shí)也是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部分零部件理想的制造材料。由于其導(dǎo)熱性低和化學(xué)活性高，導(dǎo)致切削過(guò)程中溫度高刀具磨損嚴(yán)重，屬于難加工材料，加工過(guò)程中需要耗費(fèi)大量切削液，容易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。

干式切削技術(shù)是指在切削過(guò)程中不使用切削液，消除了切削液帶來(lái)的負(fù)面影響。由于缺少切削液的潤(rùn)滑、冷卻和排屑作用，使得切削力和切削熱急劇增加，刀具壽命大幅下降，因此對(duì)刀具、機(jī)床和切削參數(shù)的選擇提出了更高的要求。

在鈦合金的干式切削過(guò)程中，大多數(shù)情況下都會(huì)產(chǎn)生鋸齒狀切屑并且伴隨大量發(fā)熱。切削參數(shù)和刀片形狀決定了工件材料的流動(dòng)方式，進(jìn)而影響切屑的形成。刀具在切削過(guò)程中的受力和受熱主要集中在刃口處，在精密加工中尤為明顯[2]。刀具刃口的形狀對(duì)切削過(guò)程中的力-熱特性具有重要影響[3-5]。在刀片刃口處加工負(fù)倒棱是一種常見(jiàn)的刃口處理形式，增加負(fù)倒棱可以增大刃口楔角和提高刀具強(qiáng)度，從而提高切削過(guò)程的穩(wěn)定性，優(yōu)化刀具散熱能力，以獲得更好的表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命[6]。本文基于Deform 2D軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，探究了刀具負(fù)倒棱參數(shù)對(duì)Ti6Al4V鈦合金干式切削的影響。

2 干式車(chē)削Ti6Al4V的有限元建模

由于鈦合金鋸齒狀切屑形成時(shí)間很短，試驗(yàn)過(guò)程難以觀察到材料的變形細(xì)節(jié)，同時(shí)也難以獲取應(yīng)變、溫度等瞬時(shí)參數(shù)。因此，可以借助有限元數(shù)值模擬方法研究刀具負(fù)倒棱對(duì)鈦合金切削過(guò)程的影響規(guī)律。

2.1 建立幾何模型

基于Deform 2D軟件進(jìn)行車(chē)削加工仿真。由于三維切削過(guò)程較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)網(wǎng)格數(shù)量太多，不便研究鈦合金金屬流動(dòng)情況，為簡(jiǎn)化刃口切削模型，采用正交切削模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模型如圖1所示，幾何模型由刀具和工件組成。

圖1 正交切削的有限元模型

工件尺寸為6mm×0.7mm，切削深度為0.5mm，進(jìn)給量為0.1mm。刀具前角為5°，后角為10°。

2.2 建立本構(gòu)模型

在金屬變形過(guò)程中，涉及第一、第二變形區(qū)熱-力耦合問(wèn)題，材料各層之前應(yīng)力、應(yīng)變和溫度有很大差異。為準(zhǔn)確描述鈦合金切削過(guò)程中的彈塑性變化規(guī)律，反映切削過(guò)程中切屑的形成和發(fā)熱情況，采用Johnson-Cook流動(dòng)應(yīng)力模型作為工件材料的本構(gòu)模型。Ti6Al4V的流動(dòng)應(yīng)力模型可表示為

(1)

表1為工件材料的物理參數(shù)[7]。刀具設(shè)為剛體，材料選擇軟件中自帶的WC材料。

表1 Ti6Al4V的本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 切屑分離準(zhǔn)則

由于鈦合金切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鋸齒狀切屑，所以材料分離準(zhǔn)則的選擇非常關(guān)鍵。采用Cockcroft & Latham 斷裂準(zhǔn)則，其表達(dá)式為

(2)

2.4 摩擦模型

在切削時(shí)，刀具與工件之間會(huì)發(fā)生摩擦。對(duì)于前刀面與切屑之間的接觸，Zorev N.N.[9]認(rèn)為存在粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)，并分析了作用在前刀面上的法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力沿前刀面的分布規(guī)律。在粘結(jié)區(qū)，剪應(yīng)力和材料的屈服應(yīng)力相等；在滑動(dòng)區(qū)，摩擦系數(shù)μ為常數(shù)，滿(mǎn)足庫(kù)倫摩擦定律[10]。在切削仿真過(guò)程中，常見(jiàn)的摩擦模型為

(3)

式中，τ為摩擦應(yīng)力；τcrit為臨界剪切屈服強(qiáng)度；σ為接觸面上的法向應(yīng)力。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

在刀具負(fù)倒棱工藝中有兩個(gè)重要的參數(shù)，即倒棱寬度w和倒棱角度α，如圖2所示。

圖2 刀具負(fù)倒棱

以倒棱寬度和倒棱角度為變量的單因素仿真方案見(jiàn)表2。由于倒棱寬度過(guò)寬會(huì)改變刀具前角，倒棱角度過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)前角，故選取0.04～0.16mm的倒棱寬度和5°～20°的倒棱角度作為試驗(yàn)范圍。

表2 單因素仿真方案

借助Deform 2D軟件進(jìn)行切削仿真，切削長(zhǎng)度為3mm，切削速度為60m/min，室溫20℃。試驗(yàn)計(jì)算出切削振動(dòng)頻率和主切削力振幅，并獲得切削熱和前刀面溫度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

4 仿真結(jié)果分析

切屑成型的過(guò)程是負(fù)倒棱通過(guò)改變刀具與工件材料作用的方式以及工件材料的流動(dòng)方向，進(jìn)而改變切削力、振動(dòng)頻率、切削熱和刀具壽命等切削性能參數(shù)。通過(guò)對(duì)倒棱參數(shù)進(jìn)行研究，從而分析切削參數(shù)對(duì)切削振動(dòng)和切削熱影響的規(guī)律。硬質(zhì)合金刀片切削鈦合金時(shí)的主要磨損形式為粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損，氧化磨損主要發(fā)生在前、后刀面的邊緣區(qū)域。

4.1 負(fù)倒棱對(duì)切削力的影響

由于鈦合金在大部分切削速度下會(huì)產(chǎn)生鋸齒狀切屑，其在形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生切削力的瞬間波動(dòng)，使加工產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，降低加工表面質(zhì)量和刀具壽命。如圖3所示，主切削力隨著切屑的產(chǎn)生出現(xiàn)了周期性的波動(dòng)[11]。

圖3 主切削力變化情況

圖4是切屑產(chǎn)生過(guò)程中的等效應(yīng)變分布?？芍ぜ艿毒邤D壓作用逐漸隆起，隨著變形的增大，切削主變形區(qū)應(yīng)力集中并產(chǎn)生剪切滑移，形成鋸齒狀切屑并產(chǎn)生切削力波動(dòng)。

圖4 等效應(yīng)變分布

對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果取均值，得到倒棱寬度對(duì)切削振動(dòng)的影響規(guī)律(見(jiàn)圖5)和倒棱角度對(duì)切削振動(dòng)的影響規(guī)律(見(jiàn)圖6)。

(a)倒棱寬度對(duì)主切削力振動(dòng)頻率的影響

(a)倒棱角度對(duì)主切削力振動(dòng)頻率的影響

由圖5a可知，隨著倒棱寬度的增加，切削過(guò)程中的頻率先上升再下降，在倒棱寬度為0.08mm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)鋸齒狀切屑的鋸齒最小，切屑最平滑；由圖5b可知，隨著倒棱寬度的增加，主切削力的振幅總體上逐漸增加，在0.04～0.08mm時(shí)振幅保持不變，大于0.08mm后開(kāi)始明顯增加，此時(shí)切削力的波動(dòng)越來(lái)越大，主切削力也越來(lái)越大。倒棱寬度的增加，增大了倒棱和切屑接觸面積，使得刀-屑間的摩擦作用加劇，第一變形區(qū)的寬度增加導(dǎo)致切削力明顯增加，主切削力振幅也隨之增加。

由圖6a可知，隨著倒棱角度的逐漸增加，切削過(guò)程的振動(dòng)頻率越來(lái)越大，在5°～10°時(shí)變化明顯，從10°開(kāi)始，增加幅度減緩，趨于平穩(wěn)；由圖6b可知，隨著倒棱角度的增加，主切削力振幅總體呈線(xiàn)性增加。這是由于隨著倒棱角度的增加，切削過(guò)程中的負(fù)前角增大，切削過(guò)程中的剪切角變小，刀具對(duì)工件的擠壓作用更加明顯，導(dǎo)致切削力增加，主切削力振幅也隨之增加。

4.2 負(fù)倒棱對(duì)切削溫度的影響

由圖7a可知，隨著倒梭寬度的增加，切削溫度逐漸上升，在0.04～0.08mm時(shí)溫度上升顯著。倒棱寬度對(duì)前刀面最高溫度的影響并不顯著，由圖7b可見(jiàn)，倒棱寬度的增加提高了切削過(guò)程的發(fā)熱量，同時(shí)也提高了刀片的散熱能力。這是由于隨著負(fù)倒棱寬度的增加，前刀面和切屑的接觸面積增大，摩擦作用加劇，導(dǎo)致切削熱明顯增加，但是由于散熱面積更大，前刀面的最高溫度沒(méi)有明顯增加，因此可以在提高刃口強(qiáng)度的前提下保證刀具壽命。

(a)倒棱寬度對(duì)切削熱的影響

由圖8可知，切削熱和前刀面最高溫度隨著倒棱角度的增加而增加，前刀面最高溫度的增加幅度更為平緩。這是由于負(fù)倒棱增大了負(fù)前角，工件變形程度更大，導(dǎo)致發(fā)熱更多。因此，倒梭角度的增加提高了切削過(guò)程的發(fā)熱量，增加了刀片的散熱能力。

(a)倒棱角度對(duì)切削熱的影響

5 結(jié)語(yǔ)

刀片的負(fù)倒棱結(jié)構(gòu)對(duì)鈦合金干式切削過(guò)程有顯著的影響。切削過(guò)程的振動(dòng)頻率隨倒棱寬度的增加先增加后減小，主切削力振幅隨倒棱寬度的增加而增加，倒棱寬度大于0.08mm后，主切削力增加明顯。

振動(dòng)頻率和主切削力隨倒棱角度的增加而增加。切削溫度和前刀面最高溫度隨著倒棱寬度和倒棱角度的增加而增加，但刀尖處散熱情況變好。當(dāng)?shù)估鈱挾葹?.08mm，倒棱角度15°時(shí)，可以保證足夠的的刃口強(qiáng)度、較小的鋸齒尺寸和較小的主切削力振幅，既能提高加工質(zhì)量，又能延長(zhǎng)刀具壽命。