高溫合金GH4169高速銑削仿真加工與分析

徐衍鋒， 趙燦， 劉玉波

（黑龍江科技大學，哈爾濱150022）

高溫合金GH4169高速銑削仿真加工與分析

徐衍鋒， 趙燦， 劉玉波

（黑龍江科技大學，哈爾濱150022）

利用Third wave AdvantEdge FEM軟件建立了三維切削模型，對高溫合金GH4169進行了高速銑削模擬加工。通過模擬分析得到了切削速度、每齒進給量、切削深度對切削熱的影響規律；試驗中發現，切削速度的變化對切削溫度的影響規律與高速切削理論有出入，切削速度的變化對切削溫度的影響較每齒進給量和切削深度大。

高溫合金；高速銑削；仿真

0 引言

高溫合金GH4169由于其優越的機械性能廣泛地應用在生活中的各個領域。但是切削加工卻成了阻礙其應用的主要原因。GH4169在切削加工中由于切削加工參數不合適，使其表面出現硬化層，加大了刀具的磨損，降低了刀具的使用壽命。單獨采用試驗加工的方法，既耗費大量的人力物力，又浪費時間。如果采用模擬仿真和實驗加工結合的方法，即模擬仿真結果指導實驗加工，實驗結果再反饋模擬仿真，則兩者相互結合，不僅降低了實驗加工成本，而且提高了實驗加工的成功率［1－3］。

1 模擬仿真

Third wave AdvantEdge FEM是一個基于材料物性的有限元金屬切削仿真軟件。通過軟件仿真替代大量的試切，既避免試切過程中材料的浪費，也節省了時間，縮短設計、加工周期。更重要的是軟件仿真為實際加工提供了理論依據，避免傳統加工中單方面憑借經驗而導致技術的不可復制性、零件質量不可控性［4］。

1.1 模擬仿真用到的模型

本構關系是反映物質物理性能的數學模型。其數學表達式便是本構方程。我們熟知的有胡克定律，理想氣體狀態方程。本構關系能夠描述物質的屬性，反映物質本身的規律。材料模型是有限元分析的基礎，只有選擇合適的材料模型，才能夠正確地反映出材料的性質，找出其中的規律，因此材料模型的正確與否會對分析結果產生重大的影響。AdvantEdge中使用的材料模型有［5］：

1）Power Law材料模型（冪指數材料模型）。

式中：g（εp）為應變強化函數，Γ（ε˙）為應力效率函數，Θ（T）為熱軟化函數。

2）Drucker Prager材料模型。

式中：G（εp，J1）為考慮靜水壓力的應變強化函數。

3）損傷模型。金屬切削加工是材料不斷被剝離的過程，因此在模擬時，切屑分離的準則至關重要。AdvantEdge中損傷函數：

4）刀具磨損模型［6］。刀具在切削鎳基高溫合金時處在一個高溫高壓的環境下，自身受到切削力和切削熱的影響發生磨損，并存在機械、熱和化學作用以及摩擦、粘結、擴散等現象。此軟件用到的磨損模型是Usui磨損模型：

式中，K和α為材料常數，w為磨損率，T為穩定切削階段的切削溫度，v為切削速度，p為壓力。

1.2 有限元建模

試驗以鎳基高溫合金GH4169為對象，選用圓形陶瓷刀片,材質為sialon,刀具直徑選為25，工藝參數如表1所示。

表1 工藝參數

2 仿真結果分析

圖1 不同切削速度時的切削溫度

1）切削速度對切削溫度的影響。在圖1中可以看出，隨著切削速度的提高，切削溫度上升。這是因為隨著速度的增大，單位時間內金屬切除量增大，相應消耗的功率就會增加，切削熱上升。隨著溫度的再升高，圖中1（c）和圖1（d）表明總的切削溫度是升高的，但同時刀具前刀面的溫度卻有不同程度的下降，這是因為隨著速度的增大，切削變形率降低，切屑變形小，切屑帶走的熱量增大，來不及傳到刀具上就被排出，因此刀具前刀面有不同程度的降低。當速度再提高，切屑帶走的熱量相對穩定，產生多余的熱量就會傳到刀具和工件上，因此溫度再次上升［2］。

從圖1中可以看出，切削溫度隨切削速度的升高總體呈上升趨勢，這與Salomon博士的高速切削理論有出入。當切削速度大于500 m/min時，對于鎳基高溫合金就已經是高速切削了，切削溫度并沒有隨著切削速度的上升而下降，反而還略有上升。因此在其它參數相同的情況下，再次把切削速度提高，分別為vc=2 413 m/min、3 728 m/min、5 363 m/min、7 855 m/min、11 504 m/min，再次進行模擬，結果如圖2所示。

圖2 不同切削速度時的切削溫度

圖2表明隨著切削速度的升高，切削溫度在1 200℃，沒有上升也沒有下降，保持在一個較為平衡的狀態。

2）每齒進給量對切削溫度的影響。從圖3可以看出，每齒進給量對切削溫度的影響較小，成緩慢上升趨勢。這主要是由于隨著每齒進給量的增加，切削力上升幅度較小。同時每齒進給量變大以后，金屬切除率增加，刀—屑接觸長度增大，并且由切屑帶走的熱量也將增多，因此每齒進給量對切削溫度的影響很小［6－9］。

3）切削深度對切削溫度的影響。從圖4可以看出，切削溫度隨著切削深度的增加而增大緩慢。這是因為隨著切削深度的增大，材料去除率增大，切削力增大，所需功率增大，因此切削溫度上升。

圖3 每齒進給量對切削溫度的影響

圖4 切削深度對切削溫度的影響

3 結論

通過模擬試驗得到以下結論：

1）切削速度的變化對切削溫度的影響較大，且變化規律與Salomon博士所提出的理論有出入。考慮到當切削速度在500 m/min時，對于高溫合金材料來說已經為高速加工了，當速度達到5 000 m/min甚至更高時，屬于超高速切削加工，高速切削的理論可能不再適用。軟件的模擬和實際加工會有區別，當達到超高速時，切削機理發生了改變，軟件中的模型及邊界條件并沒有發生變化，因此應進行現場加工后再得出正確的結論。

2）切削深度和每齒進給量的變化對切削溫度的影響較小，因此實際加工中，盡量選擇較大的每齒進給量和切削深度。

［1］ 李紅華.高速切削高溫合金有限元模擬及試驗研究［D］.大連：大連理工大學，2012.

［2］ 袁崇輝.高溫合金GH4169高速切削加工的有限元模擬與分析［D］.青島：青島理工大學，2011.

［3］ 張春燕，任和，任家隆，等.基于DEFORM的鎳基合金鋼的切削性能仿真研究［J］.江蘇科技大學學報：自然科學版，2011，25（4）：350-353.

［4］ 任和，任家隆，鄭慶余，等.Inconel718鎳基高溫合金的切削性能仿真［J］.現代制造工程，2011（11）：12-16.

［5］ 曹成銘，劉戰強，林琪.高速銑削Inconel718已加工表面殘余應力的有限元分析［J］.工具技術，2011，45（5）：13-17.

［6］ 常春國，劉松平，葉國海，等.高溫合金切削過程仿真研究［J］.機械制造與自動化，2011，5（40）：95-97，123.

［7］ 成群林，柯映林，董輝躍.航空鋁合金高速銑削加工的有限元模擬［J］.浙江大學學報：工學版，2006，40（1）：113-117.

［8］ 李國和，王敏杰，段春爭.基于ANSYS/LS-DYNA的金屬切削過程有限元模擬［J］.農業機械學報，2007，38（12）：173-176.

［9］ 吳勃.金屬切削加工過程的有限元建模與仿真［D］.南京：江蘇大學，2006.

（編輯立 明）

Process Simulation and Analysis on High Speed Milling of Superalloy GH4169

XU Yanfeng,ZHAO Can,LIU Yubo
（HeiLongJiang Institute of Science and Technology，Harbin150027,China）

By using the Third wave AdvantEdge FEM software,three-dimensional cutting model is established,and the high speed machining process of superalloy GH4169 is simulated.Through the simulation,influence of cutting heat, which was affected by the cutting speed,feed per tooth,cutting depth,is obtained.According to the test results, influence of cutting speed on cutting temperature discrepancies with the high-speed cutting theory.The influence of cutting speed on cutting temperature is larger than feed per tooth and cutting depth.

superalloy;high speed cutting;process simulation

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0096－03

徐衍鋒（1983—），男，助理工程師，研究方向為機械數控加工；趙燦（1958—），男，教授，碩士生導師，研究方向為機械制造。

2014-03-10

黑龍江省青年科學基金項目（QC2012C029）