鈦合金Ti6Al4V高速銑削三維有限元仿真分析*

陳國三，黃曉華，陳龍高，董松江，馮　暢，王　立

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

?

鈦合金Ti6Al4V高速銑削三維有限元仿真分析*

陳國三，黃曉華，陳龍高，董松江，馮暢，王立

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

文章基于有限元分析軟件ABAQUS,針對鈦合金Ti6Al4V的高速銑削過程，建立了更加真實的三維有限元模型，模擬出切屑的形成過程，得到了銑削過程的應力分布云圖、銑削溫度分布云圖以及銑削力曲線，并通過銑削力實驗驗證了所建立有限元模型的正確性。最后基于該有限元模型研究了不同切削參數下銑削力的變化規律，結果表明：銑削力隨著軸向切深ap，徑向切深ae，每齒進給量fz的增大而增大，但各參數對進給力Fx影響最大，徑向力Fy次之，對軸向力Fz影響最小。而隨著切削速度vc的增大銑削力變化很小。其中對銑削力影響主次順序是：軸向切深ap>每齒進給量fz、徑向切深ae>切削速度vc。

鈦合金;高速銑削;三維有限元;銑削力;仿真

0　引言

鈦合金材料以強度高、耐高溫、耐腐蝕等優異特性而廣泛應用于航空航天零件材料，然而鈦合金導熱系數低、化學活性大、彈性模量小易回彈、易產生切削振動等特點使其成為典型的難加工材料，其中大的切削力是切削過程突出特點之一[1-2]。

國內外學者對鈦合金切削進行了積極的研究。天津大學的趙新鵬[3]針對不同的切削用量對高速切削鈦合金Ti6Al4V的切削力進行了分析。南京航空航天大學的曹自洋[4]通過有限元數值模擬，仿真了高速切削Ti6Al4V合金的鋸齒狀切屑形成過程。美國Ohio州立大學Altan[5]在二維正交切削和三維斜角切削有限元模擬方面進行了最為系統的研究。S.B.Yang[6]等對置氫條件下車削鈦合金的切屑形成過程及切削力的變化情況進行了研究。Guang Chen[7]等基于延性破壞模型研究了在不同切削條件下高速切削鈦合金Ti6Al4V切屑的形態。

然而以上分析都對模型進行了相應的簡化與理想化。為此本文基于有限元仿真軟件ABAQUS建立了更加真實的高速銑削三維有限元模型模擬鈦合金Ti6Al4V的復雜銑削過程，模型包括實際的刀具形狀，材料的本構模型和材料損傷模型。對銑削過程切屑的形成、銑削力的變化規律進行了研究。

1　有限元模型的建立

1.1材料本構模型的選擇

銑削過程涉及高溫、大應變和高應變率，需要一種能夠描述該情況下應力與應變、應變率和溫度關系的本構模型。目前研究中常用的本構模型有[8]:Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Follansbee-Kocks模型和Bodner-Partom模型。在這些模型中，Johnson-Cook適用于高溫、高應變率的動態問題，而且在數值分析中可以很大程度的降低計算量，因此得到了廣泛應用。本文在研究時也采用了這種模型，Johnson-Cook模型的具體形式為：

表1　Johnson-Cook 模型參數

1.2材料失效去切屑分離準則

有限元分析軟件ABAQUS提供了多種材料失效準則，其中Johnson-Cook剪切失效準則綜合考慮了應力、應變率、溫度的影響，當材料的失效參數ω>1時，產生斷裂破壞，材料發生失效。失效參數的定義如下：

1.3有限元模型的建立

為了提高效率，降低計算量，本章僅針對切削區域建立工件模型，銑削方式為干式順銑，設定刀具沿Z軸轉動，沿X軸進給，以此模擬螺旋立銑刀單齒銑削過程，如圖1所示，被加工的材料為鈦合金Ti6Al4V。在銑削過程中，對材料的底部和側面進行完全自由度約束。模擬中刀具為整體式硬質合金螺旋立銑刀，其幾何參數如表2所示，且視其為剛體。刀具和工件均采用了八結點熱耦合六面體單元C3D8RT，并進行沙漏控制。定義完成的銑削模型如圖2所示。

表2　銑刀的幾何參數

圖1　工件材料簡化模型

圖2　三維銑削有限元模型

2　有限元模擬結果與試驗驗證

2.1有限元模擬結果

通過有限元模擬得到了不同時刻應力場分布云圖如圖3所示，仿真所采用的銑削參數vc=180m/min,fz=0.1mm/z,ap=2mm,ae=0.6mm。從圖3可以看出，隨著刀齒的切入，工件上最大應力點隨著刀刃不斷移動，切削最大應力值出現在第Ⅰ變形區,約為1334MPa。

(a)0.13ms　　　　　　　　(b)0.32ms

(c)0.65ms　　　　　　　　(d)1.1ms

圖4為切削過程不同時刻切屑的溫度分布云圖，可以看出溫度最大值出現在第Ⅱ變形區，當刀具處于平穩切削狀態時溫度達到最高，約為557.2℃。同時可以看到工件加工部位溫度并不高，大部分熱量被切屑帶走。圖5所示是銑削過程X、Y、Z三個方向的銑削力變化情況，其中Fx為進給力，Fy為徑向力，Fz為軸向力。第一階段如圖3a，刀具與切屑剛剛接觸，對應的切削力逐漸增大；第二階段如圖3c,刀具與切屑達到最大接觸狀態，此時切削力最大；第三階段如圖3d，隨著刀齒的進給，切削厚度逐漸減小，直至刀具與切屑分離，切削力也逐漸降低。

(a)0.13ms　　　　　　　　　(b)0.27ms

(c)0.69ms　　　　　　　　　 (d)1.15ms

圖5　切削力變化曲線

2.2試驗驗證

為了驗證有限元模型對切削力模擬的準確性，采用了模擬中同樣規格參數的銑刀在XSM600高速銑削加工中心對Ti6Al4V工件進行測銑削力實驗。采用YDX-III9702型壓電式測力儀測量銑削力。銑削參數vc=180m/min，fz=0.1mm/z，ap=2mm，ae=0.6mm，銑削方式為干式順銑。現場加工如圖6所示。由表3可知，模擬值與試驗值的最大誤差小于14%，考慮到仿真中條件的理想化所帶來的誤差，因此可以認為有限元模型正確，可用于銑削力的仿真。

圖6　測銑削力實驗現場

項目進給方向Fx(峰值)徑向方向Fy(峰值)軸向方向Fz(峰值)模擬值(N)1444978試驗值(N)1294371誤差11.6%14.0%9.9%

3　銑削參數對銑削力的影響分析

采用所建立的三維有限元模型進行不同銑削參數下切削力的仿真，仿真參數如表4所示。

表4　仿真模擬參數

圖7　不同銑削參數對銑削力的影響

4　結論

(1)本文建立了更加真實的三維有限元模型，模擬得到高速銑削鈦合金切屑形成過程，模擬發現最大應力值出現在第Ⅰ變形區，切削區溫度最大值出現在第Ⅱ變形區，切削過程中切屑帶走大部分熱量。

(2)基于此有限元模型，仿真得到切削力的變化曲線，揭示了銑削過程銑削力的變化規律，銑削力試驗結果與模擬結果較為一致，證明了該有限元模型仿真銑削力的正確性；對不同銑削參數下的最大銑削分力進行了仿真，結果表明：銑削力隨著軸向切深ap，徑向切深ae，每齒進給量fz的增大而增大，但各參數對最大銑削分力的影響存在差異，對Fx的影響最大，其次是Fy，對Fz影響最小。切削速度vc對銑削力的影響很小。其中對切削力影響最大的是軸向切深ap，其次是每齒進給量和徑向切深，影響最小的是切削速度vc。分析結果為高速銑削鈦合金Ti6Al4V的加工工藝參數優化奠定了基礎。

[1] Ezugwu E O.Key improvements in the machining of difficult to cut aerospace super alloys[J].Journal of Machine Tools& Manufacture, 2005,45:1353-1367.

[2]G Sutter,G List. Very high speed cutting of Ti6Al4V titanium alloy-change in morphology and mechanism of chip formation[J].International Journal of Machine Tools& Manufacture,2013,66:37-43.

[3]趙新鵬.高速切削鈦合金Ti6Al4V切削力仿真研究[D].天津:天津大學，2010．

[4]曹自洋.高速切削鈦合金Ti6Al4V切屑的形成及其數值模擬[D].南京:南京航空航天大學，2008.

[5]Yen Y C,Altan T. Estimation of tool wear in orthogonal cutting using the finite element analysis[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,146:82-91.

[6]S B Yang,Jiuhua Xu,Yucan Fu，et al.Finite element modeling of machining of Hydrogenated Ti6Al4V alloy [J].Int J Adv Manuf Technol，2012,59:253-261.

[7]Guang Chen,Chengzu Ren,Xiaoyong Yang,et al.Finite element simulation of high-speed machining of titanium alloy(Ti6Al4V)based on ductile failure model [J].Int J Adv Manuf Technol,2011,56:1027-1038.

[8]張東進.切削加工熱力耦合建模及其試驗研究[D].上海:上海交通大學,2008.

[9]朱文明.高速切削Ti6A14V切屑形成仿真研究[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[10] H B Wu ,S J Zhang.3D FEM simulation of milling process for titanium alloy Ti6Al4V[J].Int J Adv Manuf Technol 2014,71:1319-1326.

(編輯趙蓉)

FEM Simulation and Analysis for Three-dimensional Milling Process of Titanium Alloy Ti6Al4V

CHEN Guo-san,HUANG Xiao-hua,CHEN Long-gao,DONG Song-jiang,FENG Chang,WANG Li

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

In this paper, a more real 3D finite element model for high speed milling Ti6Al4V alloy workpiece which was established by finite element software ABAQUS, which simulated the process of chip formation, the stress distribution, milling temperature distribution and milling force curve. Besides, a milling experiment were carried out which confirms the correctness of the finite element model. Finally, It was focused to study the effects of different cutting parameters on the milling force based on the finite element model. Results of the study show that the milling force increase with the increase of axial depth, radial depth and feed per tooth. But the greatest impact of parameters on milling force is feed forceFx,then radial forceFy,with minimal impact is axial forceFz,but with the increasing of cutting speed, the milling force changes very little．The order of the influence of milling force is axial depth > feed per tooth and radial depth > and the cutting speed.

titanium alloy; high speed machining; 3D finite element; cutting force; simulation

1001-2265(2016)04-0043-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.012

2015-05-30；

2015-08-14

國家科技重大專項(2010ZX04014-051)

陳國三(1988—)，男，安徽六安人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為高速切削加工薄壁件技術，(E-mail)1343096327@qq.com。

TG506;TH16

A