對(duì)流換熱對(duì)TC4合金切屑斷裂的影響機(jī)制研究*

周 丹，曾富洪，賈舒媛

(攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院，攀枝花 617000)

0 引言

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、高溫和低溫力學(xué)性能優(yōu)異等突出特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。然而，鈦合金存在熱導(dǎo)率低、彈性模量小等特性，導(dǎo)致鈦合金構(gòu)件在加工過(guò)程中存在刀具磨損嚴(yán)重、加工硬化現(xiàn)象明顯等問(wèn)題，極大地限制了鈦合金在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[1]。因此，實(shí)現(xiàn)鈦合金的高質(zhì)高效加工是制造業(yè)亟待突破的共性技術(shù)難題。

高速切削加工技術(shù)具有加工效率高、加工精度和表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是解決鈦合金加工難題的一種有效手段[2]。YANG等[3]開(kāi)展了TC4合金的高速銑削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度達(dá)到300 m/min時(shí)加工表面粗糙度最好。WANG等[4]基于正交銑削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高切削速度會(huì)促進(jìn)TC4合金表面發(fā)生相變，并產(chǎn)生納米孿晶，改善加工表面的顯微硬度。REN等[5]開(kāi)展了鈦合金TC11的高速銑削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明高切削速度會(huì)抑制表面殘余應(yīng)力。WANG等[6]基于自主搭建的正交銑削裝置，研究了切削速度對(duì)TC4合金切屑形態(tài)的影響規(guī)律，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)會(huì)由帶狀形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀和崩碎狀形態(tài)。LIU等[7]通過(guò)高速銑削試驗(yàn)驗(yàn)證了這一現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)切屑絕熱剪切帶內(nèi)的晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，最終促進(jìn)了切屑的斷裂。上述學(xué)者通過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證了高速加工在鈦合金高質(zhì)高效加工方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，試驗(yàn)法具有成本高、周期長(zhǎng)、受環(huán)境因素影響較大等弊端。因此，研究人員常采用仿真模擬等輔助方法對(duì)切削加工機(jī)理進(jìn)行研究。

在切削加工過(guò)程中，被加工材料所處的應(yīng)力狀態(tài)、切削區(qū)域溫度、形變應(yīng)變率等參數(shù)皆無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)的方式獲得。而這些參數(shù)是研究切削機(jī)理必不可少的因素，因此，合理地利用仿真模擬開(kāi)展加工機(jī)理研究是一種有效的方法。王兵[8]研究了切削速度和J-C本構(gòu)參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，并分析了切屑鋸齒的敏感度。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著切削速度增大，切削力減小，切屑逐漸演變?yōu)楸浪闋?。OZKUTUK等[9]基于切削仿真，研究了材料參數(shù)對(duì)Ti-5553合金切屑形態(tài)和切屑力的影響規(guī)律，并利用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。杜茂華等[10]基于TC4合金的二維切削模型，研究了斷裂能對(duì)切削力和切削溫度影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著斷裂能降低，切削力和切削溫度降低。劉東等[11]研究了斷裂準(zhǔn)則對(duì)TC4合金切屑形態(tài)的影響規(guī)律，并基于切屑鋸齒化參數(shù)得到了最佳的斷裂準(zhǔn)則。研究人員基于加工仿真開(kāi)展了大量研究，但是關(guān)于對(duì)流換熱對(duì)切削過(guò)程影響的研究相對(duì)較少。隨著高速切削加工技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)冷卻工藝也逐漸應(yīng)用到難加工材料的高速加工中。因此，開(kāi)展對(duì)流換熱對(duì)切削影響機(jī)制的研究具有重要意義。

本文以難加工材料TC4合金為研究對(duì)象，基于高速正交銑削試驗(yàn)，結(jié)合二維切削仿真，研究了干切削與乳化液切削對(duì)TC4合金切削加工過(guò)程中切屑形態(tài)的影響規(guī)律，并對(duì)切削溫度、應(yīng)變率等進(jìn)行了分析。

1 切削仿真模型的建立

平行側(cè)面剪切區(qū)模型被廣泛應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域[10-11]，該模型如圖1所示。在高速加工過(guò)程中，被加工材料的第一變形區(qū)受刀具推擠作用，發(fā)生塑性變形產(chǎn)生塑性功并產(chǎn)生高溫。高溫引發(fā)材料熱軟化效應(yīng)，當(dāng)熱軟化效應(yīng)高于材料本身的應(yīng)變硬化效應(yīng)時(shí)，被去除的材料發(fā)生熱塑失穩(wěn)，材料抵抗變形的能力下降，容易在已變形的剪切面上進(jìn)一步發(fā)生剪切變形，最終發(fā)生絕熱剪切，形成鋸齒狀切屑[12]。而對(duì)于鋸齒狀切屑，一般用切屑的鋸齒化程度表示，其表達(dá)式如式(1)所示。

圖1 鋸齒形切屑變形模型

(1)

式中，H為齒頂高；h為齒根高。

1.1 本構(gòu)模型及材料參數(shù)

為保證切削仿真的準(zhǔn)確性，本次仿真選用Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型可以精準(zhǔn)描述材料變形過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等因素之間的關(guān)系[13]，其具體表達(dá)式為：

(2)

表1 TC4合金材料參數(shù)

續(xù)表

1.2 切屑分離準(zhǔn)則

在金屬切削仿真模擬中，分離準(zhǔn)則的選擇至關(guān)重要。本次仿真選擇與塑性應(yīng)變相關(guān)的狀態(tài)變量w作為計(jì)算依據(jù)，在每個(gè)分析增量步結(jié)束后對(duì)w累加計(jì)算，當(dāng)w超過(guò)1時(shí)，材料開(kāi)始失效，其表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

式中，Δε為等效塑性應(yīng)變?cè)隽?；εf為發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)變值。εf的表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

表2 TC4合金損傷模型參數(shù)

1.3 刀具參數(shù)

將刀具前角設(shè)置為4°，與試驗(yàn)參數(shù)一致，忽略刀尖半徑，刀具參數(shù)如表3所示。

表3 涂層硬質(zhì)合金刀具物理參數(shù)

1.4 二維模型建立

圖2 二維仿真建模

基于有限元仿真軟件ABAQUS/Explicit，通過(guò)熱位移耦合模塊建立了二維切削模型。為獲得更準(zhǔn)確的切屑形態(tài)，將工件材料從上往下依次設(shè)置為材料去除層、材料分離層和材料基體。設(shè)置完成后，在工件底部和左邊設(shè)置固定約束以保持工件穩(wěn)定。仿真過(guò)程中，通過(guò)在材料表層和刀具表面施加對(duì)流換熱邊界條件，以模擬空氣冷卻(對(duì)流換熱系數(shù)約為10)和切削液冷卻(對(duì)流換熱系數(shù)分別取5000、10 000、15 000)。設(shè)置好的模型如圖2所示。

2 高速正交切削試驗(yàn)

銑削加工是鈦合金最常見(jiàn)的加工方法之一，因此本次試驗(yàn)采用正交銑削的方式，獲得不同條件下的切屑形態(tài)。正交銑削裝置采用Buda法[14]搭建，如圖3所示。為保證切屑厚度近似為一固定常數(shù)，選用直徑為160 mm的盤銑刀進(jìn)行試驗(yàn)(涂層硬質(zhì)合金刀片，前角4°，后角7°)。本次試驗(yàn)將切削速度控制在40～200 m/min，進(jìn)給量控制在0.1 mm/r。將試驗(yàn)后收集的切屑進(jìn)行冷鑲嵌和打磨，放在超景深顯微鏡下進(jìn)行觀察，并依據(jù)式(1)計(jì)算切屑的鋸齒化程度。

(a) 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) (b) 試驗(yàn)原理圖

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

切屑形成機(jī)制與切削力、切削熱及表面完整性都有密切的聯(lián)系，切屑形態(tài)的分析是切削加工機(jī)理的研究基礎(chǔ)。切屑形態(tài)與切削參數(shù)、冷卻條件和材料物理性能等有密切關(guān)系。將試驗(yàn)獲得的切屑進(jìn)行處理后，其結(jié)果如圖4所示。

(a) 干切削切屑形態(tài) (b) 乳化液切削切屑形態(tài)

(c) 切屑鋸齒化程度

可以發(fā)現(xiàn)，在相同的冷卻條件下，隨著切削速度的增大，切屑的鋸齒化程度隨之增大，這是因?yàn)殡S著應(yīng)變率增大，切削溫度急劇上升且來(lái)不及散出，材料在第一變形區(qū)的熱軟化效應(yīng)逐漸高于應(yīng)變硬化效應(yīng)，材料發(fā)生熱塑性失穩(wěn)，產(chǎn)生了絕熱剪切，導(dǎo)致了鋸齒狀切屑的形成。而在相同的切削參數(shù)下，乳化液冷卻促進(jìn)了切屑的鋸齒化程度。由此可以判斷，對(duì)流換熱條件與切屑鋸齒化程度存在密切聯(lián)系。

3.2 仿真結(jié)果分析

由式(2)可知，材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能主要受應(yīng)變率和溫度的影響，因此研究切屑形態(tài)的變化必須對(duì)切削溫度和應(yīng)變率進(jìn)行分析。利用二維仿真對(duì)切削過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)進(jìn)行分析，以揭示對(duì)流換熱條件對(duì)材料去除的影響。

(1)應(yīng)變率場(chǎng)分析。應(yīng)變率是影響材料流動(dòng)應(yīng)力的主要因素之一，依據(jù)圖5所示獲取應(yīng)變率參量并求取平均值，其結(jié)果如圖6所示。

圖5 切削應(yīng)變率取樣位置 圖6 不同條件下的應(yīng)變率值

由圖6可知，在相同切削速度下，剪切帶所處的應(yīng)變率基本一致，對(duì)流換熱并不能引起應(yīng)變率的變化。而在相同對(duì)流換熱條件下，隨著切削速度的提高，剪切帶內(nèi)的平均應(yīng)變率不斷增大，應(yīng)變率主要受切削速度的影響。鋸齒程度隨切削速度增大而增大，這是因?yàn)椴牧闲巫儠r(shí)間變短，切削產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出，材料更容易發(fā)生絕熱剪切熱塑失穩(wěn)，導(dǎo)致切屑的鋸齒化程度增大。

(2)溫度場(chǎng)分析。溫度是影響材料流動(dòng)應(yīng)力的另一個(gè)因素，切削溫度主要受切削參數(shù)和冷卻條件的影響。本次仿真對(duì)比了相同切削速度，不同對(duì)流換熱條件下的4組切削仿真，仿真如圖7所示。

(a) 對(duì)流換熱系數(shù)10 (b) 對(duì)流換熱系數(shù)5000

(c) 對(duì)流換熱系數(shù)10 000 (d) 對(duì)流換熱系數(shù)15 000

如圖所示，對(duì)流換熱系數(shù)的變化對(duì)溫度有明顯的影響，相比于干切削條件，3組乳化液冷卻條件下的切削溫度都明顯降低。而在乳化液冷卻條件下，隨著對(duì)流換熱系數(shù)增大，切削溫度也隨之降低。其中溫度變化最為明顯的是刀屑接觸區(qū)、切屑自由表面和刀尖3處。為進(jìn)一步分析切屑的形成，提取了剪切帶內(nèi)的溫度，結(jié)果如圖8所示。

如圖所示，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大，剪切帶內(nèi)的溫度降低，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)鋸齒度隨對(duì)流換熱系數(shù)增大而增大。依據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，絕熱剪切是主導(dǎo)切屑斷裂的主要因素，剪切帶半寬見(jiàn)式(5)。

(5)

同時(shí)，基于仿真獲得了刀具前刀面的最高溫度值，其結(jié)果如圖9所示。

圖8 不同條件下第一變形區(qū)內(nèi)溫度分布(vc=200 m/min) 圖9 刀具前刀面最高溫度值(vc=200 m/min)

由圖可知，對(duì)流換熱能力越強(qiáng)，刀具前刀面溫度越低。而溫度是造成刀具磨損的主要原因，因此采用強(qiáng)冷卻可以降低刀具熱磨損，提高刀具壽命。

對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)切削溫度影響較為明顯，一方面，可以降低刀具溫度，提高刀具壽命；另一方面，可降低剪切帶內(nèi)的溫度，誘發(fā)絕熱剪切局部化斷裂，促進(jìn)切屑斷裂。

4 結(jié)論

通過(guò)TC4合金的高速正交銑削試驗(yàn)和切削仿真，研究了對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)切削過(guò)程的影響，得出以下結(jié)論：

(1)高切削速度會(huì)促進(jìn)TC4合金發(fā)生絕熱剪切熱塑失穩(wěn)，提高切屑鋸齒化程度，改善斷屑。

(2)強(qiáng)對(duì)流換熱可有效降低剪切帶內(nèi)的溫度，促進(jìn)剪切帶發(fā)生局部化斷裂，改善斷屑。

(3)對(duì)流換熱系數(shù)大的冷卻液可以有效降低切削溫度，提高刀具壽命。