閆凱強，黃曉斌，張仕杰，孫寶雨，高樂

1中北大學(xué)機械工程學(xué)院；2山西省深孔加工技術(shù)研究中心

1 引言

作為正在崛起的“第三金屬”，鈦合金已成為新技術(shù)、新設(shè)備不可或缺的金屬材料，不僅被廣泛應(yīng)用于航天航空、武器裝備及船舶制造等高端裝備制造和軍事領(lǐng)域，而且在醫(yī)療器械和汽車制造等民用領(lǐng)域也隨處可見[1，2]。鈦合金中鈦元素極易在高溫下與空氣中的氧元素等化合，使材料變脆。而且因其導(dǎo)熱系數(shù)非常小，鈦合金在切削困難的同時易產(chǎn)生較高的切削溫度，嚴重影響了刀具壽命。

為了解決鈦合金加工困難和加工成本高的問題，國內(nèi)外眾多研究人員進行了大量的研究工作。楊禹等[3]針對降低鈦合金切削力的問題，將超聲振動引入鈦合金的銑削加工中，實現(xiàn)刀具和工件周期性接觸分離，降低了切削力，改善了加工質(zhì)量。杜紅春等[4]為優(yōu)化鈦合金機械加工參數(shù)，提出了一種基于量子粒子群算法的Kriging(克里金)代理模型，研究了加工參數(shù)對切削力的影響。Maurotto A.等[5]在鈦合金切削加工過程中，沿刀具進給方向施加超聲振動，相對于普通切削，切削力明顯降低。Kalipada Maity等[6]采用WM25CT切削刀片對鈦合金(Ti-6Al-4V)進行加工，采用不同的切削速度、進刀量和切削深度，分別研究了其對切削力、表面粗糙度、減屑系數(shù)和刀側(cè)磨損的影響。

面銑刀也稱為端銑刀，主要用于金屬大余量平面的高速銑削，在工作過程中銑削力過大和銑削溫度過高都會導(dǎo)致刀齒加速磨損，同時影響金屬表面加工質(zhì)量，增加加工成本。本文利用SolidWorks三維建模軟件對面銑刀和鈦合金進行三維建模，將建好的三維模型導(dǎo)入ABAQUS有限元仿真軟件中，在不同背吃刀量、切削速度和進給量下進行鈦合金切削仿真。對仿真結(jié)果進行分析，得出在不同切削參數(shù)條件下，面銑刀銑削鈦合金時刀齒所受切削力的影響規(guī)律，以此選擇最優(yōu)切削參數(shù)來降低切削力。

2 建立有限元模型

2.1 確定材料本構(gòu)模型及分離失效準則

面銑刀由銑刀盤和刀齒組成，切削的本質(zhì)是刀齒與工件之間的相互作用，所以切削過程中最易損傷部位是刀齒，刀盤不易損傷。為了使仿真試驗與實際切削工作相似，本試驗僅保留部分軸向刀盤，以保證四個刀齒固定在刀盤上，并以刀盤軸線為中心線進行旋轉(zhuǎn)銑削工作，將部分刀盤與刀齒設(shè)為材料相同的硬質(zhì)合金，工件選用TC4鈦合金。硬質(zhì)合金刀齒與TC4鈦合金工件材料的物理特性見表1。

表1 刀齒和工件物理性能參數(shù)

采用金屬切削仿真常用的Johnson-Cook本構(gòu)方程描述鈦合金切削運動，其表達式為

(1)

參考文獻[8]中TC4鈦合金本構(gòu)模型參數(shù)和Johnson-Cook材料損傷參數(shù)，分別見表2和表3。

表2 TC4鈦合金的本構(gòu)模型參數(shù)

表3 TC4的Johnson-Cook材料損傷參數(shù)

2.2 建立面銑刀銑削鈦合金三維模型

為降低ABAQUS軟件仿真的難度和時間，面銑刀切削模型的尺寸應(yīng)盡量小，結(jié)構(gòu)盡量簡潔。使用四齒面銑刀進行仿真，鈦合金工件選用30mm×50mm×10mm尺寸的立方體結(jié)構(gòu)，由于有限元仿真的局限性，在結(jié)構(gòu)參數(shù)和屬性不變的情況下，需對面銑刀模型進行簡化，忽略不影響仿真結(jié)果的特征。采用SolidWorks軟件建立的面銑刀三維模型和三維切削仿真簡化模型見圖1。

(a)面銑刀模型

3 有限元仿真分析及結(jié)果分析

3.1 制定有限元仿真方案

通過仿真研究不同切削參數(shù)對面銑刀銑削鈦合金時刀齒切削力的影響，采用單因素實驗法進行仿真實驗研究，分析不同背吃刀量、銑削速度和進給量時刀齒切削力的變化規(guī)律。

采用SolidWorks三維建模軟件建立鈦合金銑削模型，將建立好的三維模型導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中，對銑削模型進行網(wǎng)格劃分。刀具采用四面體網(wǎng)格，在四個刀齒處進行網(wǎng)格加密處理，工件采用六面體網(wǎng)格，并對其切削部分(上半部分)進行網(wǎng)格加密處理。設(shè)置材料屬性進行裝配，通過不同的裝配實現(xiàn)刀齒不同的背吃刀量，裝配后的模型見圖1b。

設(shè)置分析步后，施加不同的載荷，以實現(xiàn)不同的切削速度和每齒進給量，相應(yīng)的關(guān)系式為

(1)

(2)

式中，vc為面銑刀切削速度；Dcap為面銑刀銑削直徑；n為主軸轉(zhuǎn)速，即面銑刀自轉(zhuǎn)的角速度，在ABAQUS有限元軟件的載荷中可以直接設(shè)置角速度；fz為每齒進給量；zc為面銑刀的有效齒數(shù)，本文選用四齒面銑刀，故zc=4；vf為面銑刀進給速度。

完成上述步驟后提交，開始仿真計算，等待仿真結(jié)束后，對仿真結(jié)果進行分析。

3.2 背吃刀量對切削力的影響分析

在鈦合金銑削過程中研究背吃刀量對切削力的影響，令背吃刀量為唯一變量，其它參數(shù)不變，進行仿真。仿真參數(shù)如表4所示。

表4 背吃刀量為變量的參數(shù)

對比分析不同背吃刀量時應(yīng)力的變化情況，得到如圖2所示的Mises平均值應(yīng)力結(jié)果云圖。

分析可得，隨著背吃刀量的增加，單位刀齒受力降低，但通過計算，刀齒受到的總切削力明顯變大。說明在其它銑削條件一定的情況下，隨刀齒背吃刀量的增大，所受的切削力也明顯變大。

(a)背吃刀量為2.25mm

3.3 銑削速度對切削力的影響分析

在鈦合金銑削過程中研究銑削速度對切削力的影響，令銑削速度為唯一變量，其它所有參數(shù)相同，進行仿真分析。仿真參數(shù)如表5所示。

表5 銑削速度為變量的參數(shù)

對比分析不同切削速度時應(yīng)力的變化情況，得到如圖3所示的Mises平均值應(yīng)力結(jié)果云圖。

(a)銑削速度為126m/min

分析可得，隨著銑削速度的提高，刀齒所受切削力逐漸降低，但是降低得不太顯著，這是因為鈦合金屬于脆性金屬，銑削時其塑性變形較小。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，改變切削速度對刀齒切削力的影響小于改變背吃刀量對其的影響。

3.4 進給量對切削力的影響分析

在鈦合金銑削過程中研究進給量對切削力的影響，令進給量為唯一變量，其它所有參數(shù)不變，進行仿真分析。仿真參數(shù)如表6所示。

表6 進給量為變量的參數(shù)

分析對比不同進給量時應(yīng)力的變化情況，得到如圖4所示的Mises平均值應(yīng)力結(jié)果云圖。

(a)每齒進給量為0.35mm/z

分析可得，進給量對刀齒切削力的影響與背吃刀量對刀齒切削力的影響性質(zhì)相同，隨著進給量的增大，刀齒受到的切削力逐漸增大。進給量增大時，變形系數(shù)減小，所以切削力并非與進給量成正比增加，改變進給量對刀齒切削力的影響小于改變背吃刀量對刀齒切削力的影響。

4 結(jié)語

通過單因素變量法的切削仿真實驗分析發(fā)現(xiàn)，背吃刀量、切削速度和進給量對面銑刀銑削鈦合金過程中刀齒所受切削力都存在影響，并得到以下結(jié)論。

(1)面銑刀銑削鈦合金過程中，改變背吃刀量對刀齒所受切削力的影響程度最大，進給量和切削速度次之。

(2)在中高速銑削鈦合金時，隨著銑削速度變快，刀齒所受切削力逐漸減小，但影響效果不太顯著。

(3)面銑刀刀齒所受切削力隨背吃刀量的增加而增大，但改變進給量對切削力的影響小于改變背吃刀量對切削力的影響。

(4)研究發(fā)現(xiàn)，面銑刀應(yīng)在中高速銑削條件下銑削鈦合金，使用小背吃刀量和大進給量進行銑削，可以降低切削力并提高刀具壽命。