TC4鈦合金切削溫度的仿真與試驗研究*

劉朋和 姜增輝 王曉亮

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽 110159)

鈦合金以其比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)異的綜合機械性能而成為航空航天、國防軍工和醫(yī)療化工應用比較廣泛的材料［1－2］。由于鈦合金導熱系數(shù)小，切削加工中產(chǎn)生的大量切削熱不易傳出，導致切削區(qū)溫度很高。實際生產(chǎn)中采用的切削速度一般較低，加工效率難以提高，生產(chǎn)成本很高，嚴重制約了鈦合金切削加工的發(fā)展［3］。因此對鈦合金切削過程中的切削溫度進行分析具有重要的現(xiàn)實意義。

眾多的學者對此展開了大量的研究工作。耿國盛等［4］對鈦合金高速銑削時的切削溫度進行了研究，系統(tǒng)地分析了切削用量、冷卻條件及刀具磨損等因素對近α鈦合金高速銑削時切削溫度的影響。韓滿林等［5］應用硬質合金刀具對TC4鈦合金進行了高速車削和高速銑削試驗，分析了干切削、空氣射流及氮氣射流條件下的切削溫度變化情況。劉東等［6］利用有限元軟件對鈦合金TC4切削溫度變化規(guī)律進行了仿真，在仿真計算中將切削區(qū)的溫度分為切屑上的溫度、已加工表面的溫度和刀具上的溫度來進行分析。張義平［7］采用了夾絲熱電偶法來測量高速銑削鈦合金時的切削溫度，得出銑削溫度在銑削速度50～200 m/min范圍內上升較明顯，而在銑削速度200 m/min以上范圍內變化趨勢比較緩慢的結論。

由于對切削溫度的測量還沒有一個非常成熟的方法，因此制約了對鈦合金切削工藝及刀具的研究。本文建立了正交切削仿真模型，對TC4鈦合金的切削溫度進行了仿真，通過切削試驗測量刀具的實際切削溫度對仿真模型進行了驗證，并利用仿真模型來研究切削過程中刀尖處的最高溫度，為鈦合金切削工藝及刀具的研究提供支撐。

1 基于Marc的仿真模型建立

1.1 幾何模型的建立

圖1為仿真所建立的正交車削模型，工件尺寸為10 mm ×2 mm，刀具前角 γ0=6°，后角 α0=6°。網(wǎng)格劃分選擇的是四邊形單元，按照將1 mm四十等分的原則將工件整體劃分為32 000個單元，刀具模型同樣選擇四邊形單元，刀尖部分采用了局部網(wǎng)格重劃分技術將刀尖網(wǎng)格細化，共計8 000個單元。

1.2 材料特性

仿真所用TC4鈦合金是一種α+β型的高強度鈦合金，密度為4.5 g/cm3，其化學成分及含量如表1。

表1 TC4化學成分表

仿真模型中所選擇的刀具為YG8硬質合金刀具。YG8主要成分:WC的含量為92%，Co的含量為8%。

1.3 本構模型的建立

在實際切削過程中，工件材料常常在高溫、大應變和大應變率情況下發(fā)生彈塑性流動。因此本文采用在切削加工中應用最廣泛的流動應力模型——Johnson－Cook本構模型:

式中:A、B、C、n、m為由材料自身決定的常數(shù);Tm為材料的熔點;Tr為室溫;ε為應變;ε0為參考應變。Tm取1 650 ℃，Tr取20 ℃，A、B、C、n、m的值分別取為 875、793、0.01、0.386、0.71。

1.4 切削區(qū)溫度仿真

圖2為通過所建模型仿真得到的切削TC4鈦合金時切削區(qū)溫度的分布云圖。主要切削參數(shù)為:切削速度v=147 m/min、進給量f=0.1 mm/r、切削深度ap=0.5 mm。圖3為刀屑接觸區(qū)的節(jié)點溫度。

分析圖2、圖3可知，在第1變形區(qū)垂直剪切方向上的溫度梯度很大，主要是由于剪切滑移速度快，熱量來不及傳出。在第2變形區(qū)，切屑底部與刀具前刀面溫度很高，主要是由于切屑與前刀面的摩擦產(chǎn)生的熱量積聚所致。在第3變形區(qū)后刀面上接近刀尖位置的溫度最高，這是由于鈦合金的彈性模量小，工件的回彈量較大，導致已加工表面與后刀面的摩擦面積增大，摩擦熱較多積聚且難以有效散熱，從而導致刀尖偏后刀面處溫度最高。

2 仿真與試驗驗證

為了對仿真模型的可靠性進行驗證，進行了切削速度對刀具溫度影響的切削試驗。

2.1 測溫方法的設計

試驗設備和材料主要有:CAK6140經(jīng)濟型數(shù)控車床，TC4鈦合金棒料，株洲鉆石切削刀具股份有限公司的YG8－31303c硬質合金刀片、90W25－3K13型數(shù)控刀桿。

如圖4為試驗采用的熱電偶測溫系統(tǒng)。主要包括:K型鎧式熱電偶和AZ8852型熱電偶溫度表。

試驗中采用如圖5所示的刀片切槽測溫法測量刀具溫度。在刀片背面垂直于前刀面方向加工一條0.44 mm寬，3 mm深的槽，將鎧式熱電偶埋置在該槽底部，測量的熱節(jié)點在刀屑接觸區(qū)的正下方2 mm。

2.2 仿真與試驗結果對比分析

通過刀片切槽測溫法試驗測得了切削深度0.3 mm，進給量0.2 mm/r，切削速度分別為35 m/min、50 m/min、75 m/min、105 m/min 和 147 m/min 時的刀具溫度，同時仿真得到了同樣條件下刀具溫度云圖。由于刀片切槽測溫法測量的熱結點在刀屑接觸區(qū)的正下方2 mm，因此取刀具溫度云圖中距刀尖2 mm的橢圓形區(qū)域內節(jié)點溫度的平均值作為仿真溫度(如圖6)與實測溫度進行對比，結果如圖7所示。

由圖7分析可知，切削速度不高于105 m/min時，隨切削速度增加，仿真與試驗所得到的刀具測量點處溫度均呈上升趨勢，且仿真值與測量值基本一致，其誤差小于10%。當切削速度達到147 m/min時，試驗測得的刀具溫度大幅升高，且遠大于仿真所得到的溫度值，此時仿真與試驗結果誤差較大。主要原因是:低速時YG8硬質合金刀片在測溫之前磨損較小，刀具磨損對切削溫度的影響不明顯;采用147 m/min的速度高速切削TC4鈦合金時刀片磨損極快，在測溫之前就達到甚至超過了磨鈍標準，此時刀具與切屑、工件的接觸面積增大，切削熱大幅增加，同時刀具磨損后，刀尖已經(jīng)不在理論上的位置，刀尖到測量點的距離更近了，所以在刀具的熱節(jié)點處測得的溫度大幅增加，由于包括Marc在內的很多仿真軟件都無法準確模擬刀具磨損過程，因此在刀具產(chǎn)生較大磨損時仿真結果就會產(chǎn)生較大誤差。

圖8為由前述5種切削速度下仿真得到的刀具溫度云圖中提取出的最高溫度。刀尖上的最高溫度，隨著切削速度增大而快速升高，當切削速度超過75 m/min時，刀尖最高溫度超過了900℃，而YG8硬質合金刀片能夠持續(xù)切削能力的最高溫度不超過900℃，因此仿真結果表明，當切削速度超過75 m/min時，YG8硬質合金刀片將會快速磨損，該類刀片不適合在較高的速度下切削TC4鈦合金。

3 結語

基于Marc建立了TC4鈦合金的正交切削仿真模型，對TC4鈦合金切削時的溫度進行了仿真，并通過試驗對仿真模型進行了驗證，得到如下結論:

(1)仿真模型在低速切削時能較好地反應實際切削溫度，在高速切削時刀具磨損嚴重，且對切削溫度產(chǎn)生較大影響，仿真模型不能真實反應實際切削溫度。

(2)采用75 m/min以上的切削速度切削TC4鈦合金時，YG8硬質合金刀片難以提供較為有效的切削能力。

［1］Ezugwu E O，Bonney J，Yamane Y.An overview of the machinability of aeroengine alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，134(2):33－253.

［2］趙永慶，奚正平，曲桓磊.我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀［J］.航空材料學報，2003(S1):215－219.

［3］齊德新，馬光鋒，張桂木.鈦合金切削加工性綜述［J］.煤礦機械，2002(11):3－4.

［4］耿國盛，徐九華，傅玉燦，等.高速銑削近α鈦合金的切削溫度研究［J］.機械科學與技術，2006，25(3):329 －332.

［5］韓滿林，李一民，趙威.高速切削Ti6Al4V鈦合金時切削溫度的試驗研究［J］.工具技術，2008，42(6):10 －13.

［6］劉東，陳五一，徐宏海.鈦合金TC4切削溫度變化規(guī)律仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(22):7342 －7345.

［7］張義平.鈦合金高速銑削溫度的試驗研究［J］.蘇州市職業(yè)大學學報，2006，17(3):80 －83.