楊振陽　龔文邦　凌遠(yuǎn)征　周鐘鼎

摘 要：為了研究切削參數(shù)對(duì)難加工材料Inconel 718合金刀具磨損的影響規(guī)律，基于DEFORM軟件對(duì)Inconel 718合金材料進(jìn)行正交切削仿真試驗(yàn)，研究結(jié)果為車削Inconel 718合金零件提供理論支持。

關(guān)鍵詞：仿真分析；Inconel 718合金；正交試驗(yàn)；刀具磨損

中圖分類號(hào)：TG506.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095－414X（2023）05－0058－03

0? 引言

Inconel 718是一種沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫高強(qiáng)合金，含有鈮、鉬、鋁和鈦等元素[1]，在-253℃～700℃的溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，包括抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性。可加工性高，可以用于復(fù)雜的零部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、電氣和石油工業(yè)等領(lǐng)域[2-3]。但是由于Inconel 718合金的導(dǎo)熱性差，在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面硬化，導(dǎo)致刀具加劇磨損，增加加工成本。

為了有效提高Inconel 718合金的生產(chǎn)效率，降低加工成本，許多學(xué)者對(duì)Inconel 718合金進(jìn)行了研究。王哲等[4]使用田口方法對(duì)Inconel 718合金進(jìn)行正交切削仿真試驗(yàn)，采用單因素法、灰度關(guān)聯(lián)法探究分析切削三要素對(duì)切削力和切削溫度的影響。張好強(qiáng)等[5]通過研究鉆頭的磨損形式、影響因素和磨損機(jī)制，從刀具幾何形狀、刀具材料和輔助鉆削方法等方面提出了一些提高孔加工質(zhì)量的措施。楊興林等[6]基于有限元分析軟件DEFORM模擬Inconel 718合金的車削過程，研究其車削過程中切削力和切削溫度的變化以及切削三要素對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：切削深度對(duì)切削力影響最大，其次是進(jìn)給量。王文豪等[7]建立車削加工有限元模型，采用單因素控制法探討刀具前后刀面和刀尖刃口等因素在不同程度磨損狀態(tài)下對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文基于金屬切削原理，借助有限元仿真的方法，研究Inconel 718高溫合金的車削過程，探討切削三要素對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，為最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇提供理論支持。

1? 有限元模型的建立

1.1? 材料參數(shù)

仿真切削試驗(yàn)的材料物理性能如表1所示。

1.2? 材料本構(gòu)方程

本構(gòu)方程描述了材料的變形參數(shù)如材料的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和應(yīng)變速率等，并決定了材料的力學(xué)行為[8]。因此，本構(gòu)方程是保證有限元模擬精度的關(guān)鍵。J-C本構(gòu)方程常被用于Inconel 718合金的仿真研究中，其數(shù)學(xué)描述如下：

式中，σ為材料的流動(dòng)應(yīng)力，A為屈服強(qiáng)度，B為應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，C為應(yīng)變率硬化系數(shù)，m為熱軟化系數(shù)， ， ， 分別為等效應(yīng)變，等效應(yīng)變率和參考應(yīng)變率，T，T0，Tm分別為切削溫度，環(huán)境溫度和材料融化溫度。其詳細(xì)參數(shù)見表1和表2。

1.3刀具磨損模型

在實(shí)際金屬切削過程中，在刀具與工件間會(huì)出現(xiàn)十分復(fù)雜的摩擦磨損現(xiàn)象。因此，在有限元仿真中選擇好刀具的摩擦模型以及設(shè)置相關(guān)摩擦系數(shù)非常重要。Usui模型較為適合應(yīng)用于研究切削加工Inconel 718合金，該模型表達(dá)式為：

式中，p為接觸應(yīng)力，V為相對(duì)速度，a、b為校準(zhǔn)系數(shù)。通過查閱文獻(xiàn)[9]，a為1×10-6，b為855，如圖1所示。

1.4仿真模型

為簡(jiǎn)化仿真，取工件φ60mm，圓心角為20°的一段圓弧進(jìn)行研究，刀具材料選用硬質(zhì)合金，在DEFORM數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入刀具和工件，如圖2所示。

將熱對(duì)流系數(shù)設(shè)置為45 N/（s·mm·℃），刀具與工件的摩擦系數(shù)為0.6。

2仿真分析

對(duì)刀具磨損產(chǎn)生影響的切削參數(shù)主要有切削速度v、進(jìn)給量f、切削深度ap等。為了減小試驗(yàn)的盲目性，縮短試驗(yàn)周期，得到科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)通過正交試驗(yàn)對(duì)刀具磨損量進(jìn)行研究，得到的三因素四水平表如表3所示。在整個(gè)切削仿真過程中，每組試驗(yàn)均仿真了600載荷步，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

極差分析可以分析出各切削要素對(duì)刀具磨損影響趨勢(shì)和程度，表5為極差分析表，圖3為對(duì)應(yīng)的極差分析圖。

由表5和圖3可以直接看出，進(jìn)給量對(duì)刀具磨損最大，其次是切削深度。進(jìn)給量增大會(huì)引起切削力集中在刃尖，導(dǎo)致刃尖溫度升高、磨損加劇。隨著切削區(qū)域溫度的上升，工件的硬度與強(qiáng)度下降，塑性變形性能也逐漸改善，使得刀具和工件之間的摩擦力降低，最后導(dǎo)致刀具的磨損量降低。但是，溫度過高會(huì)導(dǎo)致刀具中的鎢、鈦、鈷等元素流失，使得刀具的強(qiáng)度減小，反過來導(dǎo)致刀具的磨損程度增加。在實(shí)際生產(chǎn)過程中綜合考慮加工效率和刀具壽命，應(yīng)該選用v=75m/min，f=0.1mm，ap=0.4mm。

3結(jié)語

本文基于DEFORM軟件設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)對(duì)Inconel 718合金的切削過程進(jìn)行了仿真分析，研究了硬質(zhì)合金刀具切削Inconel 718合金時(shí)切削三要素與刀具磨損間的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對(duì)刀具磨損影響最大，其次是切削深度，并綜合考慮加工效率和刀具壽命，推薦選用切削參數(shù)為：v=75m/min，f=0.1mm，ap=0.4mm。

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Tool Wear Simulation Study of Inconel 718 Alloy Turning Based on DEFORM

YANG Zhen-yanga，b， GONG Wen-banga，b， LINGYuan-zhenga， ZHOUZhong-dinga

（a.College of Mechanical Engineering and Automation; b.Hubei Provincial Key Laboratory of Digital Textile Equipment，

Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract：In order to study the influence of cutting parameters on the tool wear of Inconel 718 alloy， which is difficult to be machined， orthogonal cutting simulation experiments were carried out on Inconel 718 alloy based on DEFORM software. The research results provide theoretical support for turning Inconel 718 alloy parts.

Keywords：simulation analysis; Inconel 718 alloy; Orthogonal test; Tool wear

（責(zé)任編輯：周莉）

*通訊作者：龔文邦（1965-），男，教授，研究方向：金屬材料成形過程控制及工藝.