銑削鈦合金最高溫度及其影響因素研究

崔云先,曹凱迪,王浩宇,殷俊偉

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

鈦合金因其密度低、比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域[1]。然而,在高速銑削加工過(guò)程中,鈦合金因其導(dǎo)熱系數(shù)低,化學(xué)活性大,在加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱不容易傳出,導(dǎo)致銑削溫度過(guò)高,影響加工質(zhì)量和刀具壽命[2]。因此,研究鈦合金銑削加工過(guò)程中的溫度及其影響因子具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鈦合金加工溫度也進(jìn)行了大量探究。岳彩旭等[3]利用ABAQUS軟件仿真得到銑削加工不同參數(shù)下鈦合金薄壁類(lèi)零件的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化情況,并運(yùn)用仿真結(jié)果對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;胡木林[4]對(duì)鈦合金高速切削的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,通過(guò)仿真分析了切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響;何寶等[5]對(duì)硬質(zhì)合金切削鈦合金過(guò)程中的切削溫度場(chǎng)及刀具磨損進(jìn)行了仿真分析,模擬了不同切削參數(shù)下鈦合金加工溫度場(chǎng)變化及道具磨損變化規(guī)律;田衛(wèi)軍等[6]采用有限元仿真軟件分析工件和刀具上的溫度分布規(guī)律,獲得了鈦合金鉆削參數(shù)對(duì)鉆削力和鉆削溫度的影響規(guī)律;孫建波等[7]建立鈦合金二維正交切削仿真模擬,對(duì)仿真模型與熱成像儀測(cè)得的實(shí)際溫度進(jìn)行比較,得到切削溫度關(guān)于不同參數(shù)的數(shù)學(xué)模型;Lin等[8]對(duì)鈦合金高速加工過(guò)程進(jìn)行二維仿真,仿真的溫度結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致;劉東等[9]對(duì)鈦合金的切削過(guò)程進(jìn)行了有限元分仿真,得到了切削鈦合金時(shí)刀具及工件的溫度分布情況。

近年來(lái),眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)鈦合金加工過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量研究,但有關(guān)鈦合金銑削過(guò)程溫度最高點(diǎn)位置及其影響因素的研究相對(duì)較少,而銑削溫度最高點(diǎn)對(duì)研究刀具磨損機(jī)制及其抑制方法以及刀具熱變形有十分重要的作用。因此,本文以TC4鈦合金為研究對(duì)象,首先采用有限元仿真的方法研究了鈦合金銑削加工過(guò)程中溫度最高點(diǎn)的情況,并用銑刀進(jìn)行鈦合金銑削試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用薄膜熱電偶溫度傳感器對(duì)鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)最高點(diǎn)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,得到了銑削速度、進(jìn)給量、銑削深度及交互因素對(duì)銑削鈦合金最高點(diǎn)溫度的影響,并建立了銑削最高點(diǎn)溫度的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 鈦合金銑削三維有限元仿真

1.1 鈦合金銑削模型

本文選用的銑刀片為硬質(zhì)合金材質(zhì)(型號(hào)為CPMT1604),工件為T(mén)C4鈦合金。首先利用CREO軟件繪制鈦合金銑削仿真模型,銑刀片后角為11 ℃,幾何尺寸為16 mm×16 mm×4 mm,鈦合金工件尺寸為50 mm×10 mm×30 mm。

將繪制成的模型圖導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為提高計(jì)算效率,保證計(jì)算精度,對(duì)刀具進(jìn)行漸變網(wǎng)格劃分,刀尖處網(wǎng)格較密。繪制完成的鈦合金銑削仿真模型見(jiàn)圖1。設(shè)置接觸方式為刀具和工件面-面接觸,刀具設(shè)置為剛體,設(shè)置刀具銑削速度為188.04 m/min,進(jìn)給量為200 mm/min,銑削深度為0.5 mm,模型的初始溫度為20 ℃。

圖1 鈦合金銑削仿真模型

1.2 鈦合金材料的本構(gòu)模型

本構(gòu)模型是描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度-時(shí)間關(guān)系之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,ABAQUS目前常用的本構(gòu)模型有:Bonner-Paton、Follansbee-Kocks、Zerrilli-Armstrong 、Johnson-Cook等,本文選擇Johnson-Cook模型(簡(jiǎn)稱(chēng)JC模型)來(lái)定義鈦合金加工過(guò)程中的材料屬性,具體表達(dá)式為:

(1)

JC本構(gòu)參數(shù)A、B、C、n、m的取值分別為1098、892、0.01、0.93、1.1。

1.3 材料失效準(zhǔn)則和損傷演化

本文選用JC損傷失效模型來(lái)描述鈦合金在銑削過(guò)程中的失效準(zhǔn)則,當(dāng)ω大于0時(shí),單元發(fā)生失效并產(chǎn)生分離,模型表達(dá)式為:

(2)

(3)

2 鈦合金銑削有限元仿真結(jié)果分析

2.1 銑削溫度仿真結(jié)果分析

圖2為銑削鈦合金時(shí)銑刀片前刀面及工件的溫度仿真結(jié)果。由圖2可以看出,銑削鈦合金產(chǎn)生的溫度最高點(diǎn)位于銑刀片前刀面,這是由于刀片切入工件時(shí),工件剪切變形產(chǎn)生熱量以及切屑切出時(shí)與刀片前刀面摩擦產(chǎn)生熱量累積,溫度迅速上升,進(jìn)入穩(wěn)定銑削之后,銑削溫度趨于穩(wěn)定。由TC4鈦合金銑削溫度仿真結(jié)果可以看出,鈦合金銑削加工時(shí)溫度最高點(diǎn)位置位于刀-屑接觸區(qū)域,溫度為232.5 ℃。

圖2 銑削鈦合金溫度最高位置

2.2 銑削溫度仿真結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述有限元仿真的準(zhǔn)確性,選用XK7120數(shù)控銑床進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),刀具采用T型銑刀,工件為T(mén)C4鈦合金。由于普通絲式熱電偶在測(cè)量刀-屑接觸溫度時(shí)有很大干擾,故選用薄膜熱電偶作為溫度傳感器。將薄膜熱電偶溫度傳感器嵌入銑刀片前刀面,補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與固定在刀柄處的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊連接,溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式發(fā)送至上位機(jī)軟件。試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 銑削示意

試驗(yàn)所用TC4鈦合金工件尺寸為160 mm×140 mm×50 mm。采用與鈦合金仿真模型相同的銑削參數(shù)進(jìn)行銑削,試驗(yàn)得到的切屑見(jiàn)圖4,鈦合金銑削仿真得到的切屑見(jiàn)圖5?？梢钥闯龇抡媲行寂c銑削試驗(yàn)產(chǎn)生的切屑形態(tài)基本一致。

圖4 鈦合金試驗(yàn)切屑圖

圖5 鈦合金仿真切屑圖

為保證銑床進(jìn)給量為200 mm/min,銑削深度為0.5 mm,采用3種不同的銑削速度分別進(jìn)行試驗(yàn),銑削速度分別為113.04、150.72、188.04 m/min。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,與仿真得到的銑削溫度最高值進(jìn)行比較。圖6為試驗(yàn)溫度與仿真最高值對(duì)比。

圖6 鈦合金銑削試驗(yàn)溫度與仿真最高點(diǎn)對(duì)比

由圖6可知,試驗(yàn)最高值與仿真最高值之間誤差小于4.3%。由于銑削仿真模型基于理想條件建立,考慮到實(shí)際銑削過(guò)程中機(jī)床等外部條件的影響會(huì)導(dǎo)致仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差,但這個(gè)誤差在允許范圍之內(nèi),因此,可以認(rèn)為該模型是準(zhǔn)確的。

3 鈦合金銑削試驗(yàn)

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的ANOVA方差分析法分析對(duì)鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度有顯著影響的因素。銑削速度取3個(gè)水平,進(jìn)給量取3個(gè)水平,銑削深度取3個(gè)水平。對(duì)3因素各水平的每個(gè)組合做試驗(yàn),組成27組試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表及溫度見(jiàn)表1。

Design and Construction of Smart Commercial District……………FAN Wei, LIU Hai(4·52)

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表及溫度

續(xù)表

取顯著水平a=0.05,運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行ANOVA方差分析,得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 ANOVA方差分析結(jié)果

由表4可知,對(duì)銑削最高點(diǎn)溫度有顯著影響的依次是銑削深度(A)、進(jìn)給量(B)、銑削速度(C)、銑削速度×進(jìn)給量(AB),對(duì)銑削最高點(diǎn)溫度影響不顯著的因素是進(jìn)給量×銑削深度(BC)、銑削速度×銑削深度(AC)。因此,在銑削TC4鈦合金材料時(shí),為控制銑削最高點(diǎn)溫度不發(fā)生突變,從單因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削深度,從交互因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削速度和進(jìn)給量。ANOVA多因素方差分析的結(jié)果不僅能夠分析銑削深度、進(jìn)給量、銑削速度對(duì)銑削鈦合金最高點(diǎn)溫度的獨(dú)立影響,更能夠分析銑削深度、進(jìn)給量、銑削速度三者之間的交互作用對(duì)銑削鈦合金最高點(diǎn)溫度產(chǎn)生的顯著影響,最終找到控制鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度的最優(yōu)組合。

4 鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式

在鈦合金銑削加工過(guò)程中銑削參數(shù)隨加工環(huán)境變化而變化, 不同的銑削參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的銑削最高點(diǎn)溫度。因此,得出鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)鈦合金銑削加工具有重大意義。銑削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式通用模型[11]為:

(4)

式中:v為銑削速度;ap為銑削深度;f為進(jìn)給量;aw為銑削寬度;CTθ、XTθ、yTθ、mTθ、nTθ均為經(jīng)驗(yàn)公式的待定系數(shù)。

本文銑刀銑削寬度為60 mm,將上述27組試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式并通過(guò)Matlab編程求解經(jīng)驗(yàn)公式通用模型系數(shù),得到TC4鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式為:

(5)

為驗(yàn)證該銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性,采用兩組試驗(yàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)最高點(diǎn)溫度值和試驗(yàn)最高點(diǎn)溫度值進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表3。

表3 銑削最高點(diǎn)溫度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鈦合金進(jìn)行銑削溫度有限元仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1)銑削鈦合金過(guò)程中,刀-屑接觸界面溫度最高。通過(guò)對(duì)鈦合金進(jìn)行銑削試驗(yàn),從切屑形貌和最高點(diǎn)溫度兩方面進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,仿真切屑與試驗(yàn)切屑形貌基本一致,仿真溫度與試驗(yàn)溫度最大誤差為4.3%,證明該仿真模型是準(zhǔn)確的。

(2)通過(guò)對(duì)鈦合金銑削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行ANOVA方差分析,得出在銑削TC4鈦合金材料時(shí),為控制銑削最高點(diǎn)溫度不發(fā)生突變,從單因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削深度;從交互因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削速度和進(jìn)給量。

(3)建立了鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式,通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)溫度與預(yù)測(cè)溫度得出該經(jīng)驗(yàn)公式誤差最大值為7.8%,誤差在允許范圍之內(nèi),因此,可以認(rèn)為該經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確。