基于DEFORM的鈦合金Ti6Al4V高速銑削力的研究

魏永峭，楊 棟，羅 嵐，周 波，侯 力

(1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065)

鈦合金材料以比熱強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕性好等特性被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工和特種汽車零部件等領(lǐng)域，然而鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小易回彈、易切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，并在切削過程中產(chǎn)生振動(dòng)等特點(diǎn)使其成為典型的難加工材料，其中大的切削力是切削過程突出特點(diǎn)之一[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]通過有限元數(shù)值模擬，對(duì)Ti6Al4V合金的高速切削進(jìn)行了仿真與分析。文獻(xiàn)[5]針對(duì)不同的切削用量對(duì)高速切削鈦合金Ti6Al4V的切削力進(jìn)行了分析。S.B.Yang等對(duì)置氫條件下車削鈦合金的切屑形成過程及切削力的變化情況進(jìn)行了研究[6]。然而以上分析都對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化與理想化。但由于切削力是描述材料加工性、顫振、刀具磨損、表面質(zhì)量等相關(guān)加工信息的十分重要的物理變量。切削力直接反映加工材料的可加工性，理化特性以及加工變質(zhì)層、刀具耐用度等特性。

因此，正確有效的鈦合金高速切削有限元模型以及有效的鈦合金J-C本構(gòu)模型是正確模擬切削過程中的切削力變化情況的基礎(chǔ)，本文基于有限元仿真軟件DEFORM建立了更加真實(shí)的高速銑削三維有限元模型模擬鈦合金Ti6Al4V的銑削過程，并為切削力的變化提供預(yù)測，其誤差要符合工程實(shí)際要求。

1 鈦合金高速切削有限元模型的建立

1.1 鈦合金Ti6Al4V的本構(gòu)模型

Johnson-Cook 本構(gòu)模型廣泛應(yīng)用于材料流變應(yīng)力分析中，特別是針對(duì)流變應(yīng)力受溫度及應(yīng)變率影響較大的材料，而Ti6Al4V的組織類型為馬氏體型態(tài)，并且Johnson-Cook本構(gòu)模型恰能反映了材料流動(dòng)應(yīng)力受應(yīng)變，應(yīng)變率及溫度的影響，因此選Johnson-Cook模型為本構(gòu)模型，由式(1)給出[8]：

(1)

式中A代表材料的屈服應(yīng)力，B、n為材料的應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)，C為經(jīng)驗(yàn)性應(yīng)變率敏感系數(shù)，m為熱軟化系數(shù)，ε為等效塑性應(yīng)變，T為工件溫度，Tr為材料的熔化溫度，Tm為室溫。

很多學(xué)者通過不同的特征參數(shù)對(duì)鈦合金切削Johnson-Cook 本構(gòu)模型進(jìn)行了研究，如表1所示[9-10]：

表1 已發(fā)表的J-C本構(gòu)模型特征參數(shù)

1.2 材料失效切屑分離準(zhǔn)則

Johnson-Cook 準(zhǔn)則目前適合于高速切削有限元仿真，該準(zhǔn)則是基于單元積分點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變，其綜合考慮了應(yīng)力、應(yīng)變率、溫度的影響，當(dāng)材料的時(shí)效參數(shù)大于1時(shí)，則材料發(fā)生失效。失效參數(shù)的定義如下[11-12]：

(2)

(3)

1.3 材料模型的建立

1.3.1 工件材料參數(shù)

工件選用的鈦合金為Ti-6Al-4V，其密度為4440kg/m3，硬度為HRC 36，膨脹系數(shù)為9.1X10-6/℃，熔化溫度為1635-1650℃，楊氏模量為113.8GPa，泊松比為0.342，抗拉強(qiáng)度為1450 MPa，屈服強(qiáng)度為970 MPa。由于Ti-6Al-4V 是熱敏感材料，在切削過程中高溫對(duì)材料的性能將產(chǎn)生很大影響，尤其是楊氏模量，熱導(dǎo)率，比熱容這三個(gè)參數(shù)。

1.3.2 刀具材料參數(shù)

本文中采用硬質(zhì)合金刀具CNMA432，其主要成分是WC和Co，被廣泛應(yīng)用于鈦合金高速切削加工過程中，其性能及組成成分與我國YG8硬質(zhì)合金刀具接近，其彈性模量為64GPa，泊松比為0.2，膨脹系數(shù)為4.5X10-6/℃，比熱容為220 J/(Kg·℃)，熱導(dǎo)率為75.4 W/(m·K)。

1.4 有限元模型建立

在加工過程中切削力是重要物理變化量現(xiàn)象之一，其直接決定切削熱的產(chǎn)生并影響刀具磨損、使用壽命及加工精度等。本文基于Deform仿真平臺(tái)建立了高速切削鈦合金Ti-6Al-4V有限元模型，其有限元模型如圖1所示。在三維模型中，本文使用MCLNL夾持器，CNMA432無涂層硬質(zhì)合金刀片，刀具前后均為5°，刀片前端角80°，為了較好實(shí)現(xiàn)刀具與切屑之間的熱傳遞，刀具一共劃分155023個(gè)有限元單元，四面體網(wǎng)格，最小網(wǎng)格邊長為0.01mm，刀具材料作剛性設(shè)置。工件材料共劃分136630個(gè)有限元單元，最小網(wǎng)格邊長0.03mm。

圖1 三維有限元切削仿真模型 圖2 切削力波動(dòng)示意圖

在建立的鈦合金高速切削有限元模型的基礎(chǔ)上，將表1中所有現(xiàn)有的J-C模型特征參數(shù)分別帶入建立的有限元模型進(jìn)行仿真，其中切深量為0.1mm，進(jìn)給量為0.254mm/rev，切削速度分別取1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，一共進(jìn)行切削仿真32次。切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自Ali.M.H[13]等學(xué)者的實(shí)驗(yàn)，切削參數(shù)、刀具型號(hào)與機(jī)械刀夾型號(hào)均與文章中所建立的有限元模型中的參數(shù)一致。在高速切削有限元模型中，切削力達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后依然會(huì)有波動(dòng)，如圖2所示。本論文所提取的仿真切削力是在多次試驗(yàn)剔除畸點(diǎn)之后的平均值。

從圖可以看出仿真模擬過程分為初始階段和穩(wěn)定階段。在切削初始階段切削力迅速增大到某一較大值，到進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)階段之后其值的大小在局部范圍內(nèi)進(jìn)行較小的變化，并會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，主要是因?yàn)椋?1)由于當(dāng)?shù)毒邉傞_始對(duì)工件進(jìn)行切削時(shí)，刀具與工件的接觸部分單元網(wǎng)格受到刀具前刀面擠壓而產(chǎn)生變形，隨著變形程度的不斷增加，使得主切削力也隨著變形的抗力增大而相應(yīng)的增加，并到達(dá)一個(gè)較大值；(2)在開始切削的瞬間由于加工過程會(huì)伴隨有網(wǎng)格不斷重劃分的過程，使得加工過程出現(xiàn)不連續(xù)性及失效的單元網(wǎng)格數(shù)目和其位置均存在很大的不確定性，因此產(chǎn)生了切削力數(shù)值的上下波動(dòng)；(3)當(dāng)其中的某些單元網(wǎng)格變形達(dá)到材料所設(shè)定的變形極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)單元網(wǎng)格失效，從而使得切削力也相應(yīng)的減??；(4)在切削進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)階段后，切削力在微觀和宏觀上均呈現(xiàn)出有規(guī)律性的上下波動(dòng)，只是因?yàn)榍邢鞯竭_(dá)平穩(wěn)階段之后，工件會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律性的單元網(wǎng)格失效，而此時(shí)在各個(gè)瞬間失效的單元網(wǎng)格數(shù)目及其位置均為固定的，從而主切削力的大小便穩(wěn)定在了一個(gè)數(shù)值。

2 鈦合金高速切削有限元仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了更好地觀察速度對(duì)不同J-C特征參數(shù)下切削力的影響，評(píng)價(jià)現(xiàn)有傳統(tǒng)J-C模型的準(zhǔn)確度，本論文分別給出各組本構(gòu)模型仿真切削力與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，如圖3所示。從圖3中可以看出，以誤差15%作為標(biāo)準(zhǔn)，在切削速度為1.0m/s時(shí)，本構(gòu)模型2、3、5、8符合標(biāo)準(zhǔn)；在切削速度1.5m/s時(shí)，本構(gòu)模型4、5、6符合標(biāo)準(zhǔn)；在切削速度2.0m/s時(shí)，本構(gòu)模型5、6符合；切削速度2.5m/s時(shí)，本構(gòu)模型2、5、6、8符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，我們應(yīng)該觀察到本構(gòu)模型2在切削速度為1.0m/s和2.5m/s時(shí)能夠以低于5%的誤差模擬切削力，然而在其他兩個(gè)參考速度下誤差較大，同樣的情況也發(fā)生于本構(gòu)模型6和本構(gòu)模型8。

圖3 本構(gòu)模型仿真切削力與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

本構(gòu)模型1、5、7、8能夠很好地模擬出鈦合金高速切削時(shí)在研究速度范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而下降的趨勢(shì)，特別是本構(gòu)模型5，在本文研究速范圍內(nèi)能夠控制切削力仿真誤差在13%之內(nèi)。

3 結(jié)論

本文通過研究鈦合金Ti-6A1-4V高速切削過程中8組傳統(tǒng)的Johnson-Cook本構(gòu)模型在不同速度下的切削力變化情況，可看出傳統(tǒng)Johnson-Cook本構(gòu)模型特征參數(shù)的選擇對(duì)仿真結(jié)果非常敏感，即使是同一個(gè)J-C本構(gòu)模型，它對(duì)切削速度的適應(yīng)性也有非常大的差距。隨著切削速度的增加，應(yīng)變強(qiáng)化部分對(duì)切削力的影響變?nèi)?，而低速時(shí)切削力受應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)影響較大；因此，在選擇J-C本構(gòu)模型進(jìn)行切削力，切削參數(shù)，切削溫度以及刀具磨損等研究時(shí)，一定要注意不同J-C本構(gòu)模型對(duì)當(dāng)前研究工況的適應(yīng)性。