基于DEFORM-3D 的鈦合金切削仿真研究*

嚴 帥，王明建，胡小康，陸 益，任家隆

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

鈦合金是航空航天工業中應用廣泛的一種難加工材料，加工時切削力大、刀具磨損嚴重、加工效率低。選擇合理的刀具涂層材料和切削用量可有效抑制切削力和切削溫度的增加，是提高鈦合金加工效率的有效途徑之一。然而單純依靠實驗手段，不但耗時費力增加生產成本，并且切削過程中的切削力與切削溫度很難準確獲得［1-2］。

DEFORM-3D 是一套基于有限元理論、金屬塑性成形和工藝模擬的系統，能夠獲取切削過程中某一時刻切削力、切削溫度和刀具磨損量等重要數據［3］。文中借助DEFORM-3D 對TC4 鈦合金工件進行了三種常用涂層材料刀具在特定切削參數下的有限元數值車削模擬，并對各工藝參數下的切削力和刀具切削溫度進行了對比分析，為實際加工參數的優化提供了理論依據。

1 仿真模型的建立

1.1 彈塑性應力模型

切削過程中，工件材料容易在高溫(200～1000℃或更高)、大應變(6～20 或更高)和大應變率(103～105S-1或更高)的情況下發生彈塑性流動［4］。根據Prandtl-Reuss 塑性流動理論［2］:

對于各向同性材料，硬化曲線的斜率H'為:

式中:dε0為等效應力增量;d σ 為有效應力的微分。

物體內一點的總應變增量dεij由彈性應變增量和塑性應變增量兩部分構成，即

綜合式(1)～(3)，可得到切削變形時的彈塑性增量的本構關系方程為:

式中:μ 為泊松比;E為彈性模量;σ'ij為Kroneeker 記號為應力偏量增量;dσm為平均應力增量。

1.2 熱傳導模型

切削的熱傳導［5］偏微方程為:

式中:λ 為熱導率;T為溫度;ρ 為材料密度;c為材料比熱容;μ、v為移動熱源在x和y方向的速度分量;Q為單位體積的熱產生率，且有:

式中:M為熱功當量;Wh為塑性變形功轉化為熱能的比率，通常取0.9;W'p為塑性應變速率。

刀具的前刀面與切屑、后刀面與已加工表面之間的摩擦熱方程為:

1.3 刀具及工件材料的選擇

DEFORM -3D 擁有豐富的材料庫，并且可以根據需要自定義材料屬性［6］。本文研究TC4 鈦合金在WC基硬質合金涂層刀具下的切削情況，模擬試驗中，選擇WC 為刀具基體材料，分別選擇TiN、TiCN 及Al2O3為刀具涂層材料，選擇TC4 鈦合金為工件材料。為方便工件的前處理以及提高求解計算的速度，在本模擬中，取工件的1/18 作為研究對象。

1.4 仿真參數的設定

模擬試驗中，參照TC4 鈦合金的物理力學性能參數(見表1)設置相應的DEFORM 模擬參數。金屬切削的有限元模擬計算中，冷卻作用通過設置換熱系數來實現［7-8］，在定義工件表面與外界的熱交換時，環境溫度設為20℃，熱傳遞系數為0.02N/sec/mm/C。潤滑作用通過設置刀-屑摩擦系數來實現，鑒于鈦合金切削的粘刀現象，取刀/屑摩擦系數為0.8。為防止產生不合格單元以保證計算精度，在模擬過程中采用自適應網格重劃(AMG)技術劃分網格［9］。刀具Size Ratio項設為4，網格數量為35000;工件Size Ratio 項設為7，網格數量為40000。在仿真控制中，綜合考慮計算精度和效率，設置仿真步數為600 步，每25 步保存一次計算數據，切削終止角度為15°。另外采用Tool wear calculation with Usui mode 對刀具磨損進行設定，根據經驗值分別取a、b為0.0000001 和855.0。

表1 鈦合金TC4 的物理力學性能參數

2 仿真結果及分析

在相同的刀具參數和切削用量條件下，采用不同的硬質合金涂層刀具車削TC4 鈦合金切削力及刀具切削溫度的模擬結果分別如圖1～3 所示。本文采用的模擬試驗切削用量與生產要求一致如表2 所示。

表2 切削用量選取

TiN、TiCN 和Al2O3三種涂層刀具，在vc=35mm，ap=4mm，f=0.3 mm/rev 時主切削力和刀具切削溫度見圖1～2。

三種涂層刀具在表2 所示的三組模擬試驗下的主切削力對比見圖3。圖中橫坐標代表模擬試驗編號，縱坐標為主切削力。

圖3 三種涂層刀具各模擬試驗下的主切削力比較

由圖1、3 可知，在相同的切削條件下，分別以TiN、TiCN 及Al2O3為涂層材料的硬質合金刀具進行模擬車削時，Al2O3硬質合金涂層刀具產生的主切削力最小，切削過程最穩定。而且，隨著切削速度、背吃刀量和進給量的增大，三種涂層刀具的主切削力差值越明顯。這是由于:Al2O3具有良好的熱穩定性，而TiN 及TiCN 在高溫下易氧化［10］。切削過程中，刀具刃口及附近部位容易形成氧化層，影響涂層的化學及物理性質。而產生的氧化物與基體材料的結合強度較低，切削時，這層極薄的氧化物容易從基體上剝落，使得刀具刃口“變鈍”，切削力變大。并且Al2O3較其它兩種材料摩擦系數低，在不同速度下更加不易產生積屑瘤，故而切削過程相對其他兩種涂層刀具更加平穩。

由圖2 可知，以Al2O3作為刀具涂層進行模擬車削時，刀具切削溫度和熱影響區明顯小于另外兩種涂層刀具。這是由于在三種涂層材料中，TiN 和TiCN 的熱傳導率隨著溫度的升高而增大，而Al2O3熱傳導率恰好相反。并且在300℃之后，Al2O3的熱導率開始低于TiN 和TiCN［11］。所以在相同的切削條件下，Al2O3涂層的低熱導率性質導致傳入切屑和工件的熱量增大，而傳入刀具的熱量減小，因此Al2O3涂層刀具的切削溫度最低。隨著切削的進行，工件首先發生軟化，且軟化程度最高，更利于切削。

由以上分析可知，相同的切削條下，各種涂層材料對切削力及刀具切削溫度的影響各不相同。對于TC4 鈦合金而言，從減小切削力和降低刀具切削溫度的角度考慮，選擇Al2O3作為刀具涂層材料最為合適。

3 Al2O3 涂層刀具切削用量的優化

為了進一步了解各切削參數對刀具切削溫度的影響規律，本文利用三因素三水平正交法對Al2O3涂層刀具進行模擬車削試驗。表3 為在不同切削參數下Al2O3涂層刀具的溫度仿真結果。A、B、C 分別是切削速度vc、背吃刀量ap和進給量f。K1、K2和K3行的三個數值分別是因素A、B、C 不同水平對應的切削溫度的總和。K1、K2、K3行分別是上述因素各工藝水平對應切削溫度的均值。均值的極大值和極小值之差為極差，極差越大，表明對刀具切削溫度的影響越大。表3 表明，A 對切削溫度的影響最大，C 次之，B 最小。

表3 刀具切削溫度正交試驗結果

由表3 可知，刀具的切削溫度變化規律符合如下規律:vc、ap和f增大，切削熱增多，切削溫度將隨之升高。但vc、ap和f對切削溫度影響的程度不同，其中切削速度vc對切削溫度的影響最為顯著，進給量f次之，背吃刀量ap最小。因為vc增大，切屑從前刀面流出的速度加快，摩擦加劇產生大量的熱來不及傳入切屑的內部，聚集于刀-屑接觸區導致刀具切削溫度增大，所以vc對刀具切削溫度影響最大;f增大，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，所以f對切削溫度的影響不如vc顯著;ap增大，切削刃長度增大，散熱條件改善，故ap對其影響相對較小［12］。

忽略其它因素的影響，僅從降低刀具切削溫度的角度考慮，最優方案應是A1B2C1，即當vc=30mm，ap=4mm，f=0.2 mm/rev 時可在理論上獲得最小的刀具切削溫度，使刀具的磨損量達到最小，從而提高刀具的耐用度。

4 結論

(1)本文以DEFORM-3D 軟件為平臺，建立了TC4鈦合金的三維車削有限元模型，成功模擬并探究了不同涂層材料刀具對主切削力和刀具切削溫度的影響規律，減少了研究中的試驗次數，提高了研究效率，降低了研究成本。

(2)分別模擬了以TiN、TiCN 和Al2O3為涂層材料的硬質合金刀具車削TC4 鈦合金的過程，試驗得出:在切削TC4 鈦合金時Al2O3涂層刀具的切削性能最優，最佳工藝參數為vc=30mm，ap=4mm，f=0.2 mm/rev。

(3)金屬切削中，在控制刀具切削溫度的前提下提高加工效率時，應在機床允許的條件下，選用較大的背吃刀量和進給量及較小的切削速度，從而降低刀具切削溫度，減少刀具磨損，提高刀具的耐用度。

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