永磁電機轉子護套用高溫合金Inconel625切削性能仿真與試驗研究

岳彩旭，黃 翠，劉二亮

（哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

永磁電機轉子護套用高溫合金Inconel625切削性能仿真與試驗研究

岳彩旭，黃 翠，劉二亮

（哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

本文針對高速永磁電機轉子保護材料鎳基高溫合金Inconel625的切削性能展開研究。采用仿真軟件DEFORM-3D建立了該材料的三維有限元仿真模型，仿真模型采用了Johnson-Cook模型、Usui刀具磨損模型等關鍵技術。通過仿真得到了切削過程中切削力的變化趨勢、溫度場的分布特性、刀具磨損、切屑形狀等。在結合試驗分析的基礎上，得到了切削參數對切削力、切削溫度、刀具磨損的影響規律。研究結果對Inconel625合金車削過程切削條件的合理選擇和刀具使用壽命的提高提供了理論依據，為深入研究Inconel625合金切削機理提供了理論依據。

Inconel625；切削性能；有限元仿真；刀具磨損

0 前言

高速永磁電機的轉子轉速高達十幾萬轉，轉子受離心力作用非常大，且工作溫度較高，因此，通常采用轉子護套對轉子進行保護。轉子表面護套常采用機械強度高、熱穩定性優良、熱導率較高的材料，常用的護套材料如碳纖維、Inconel系列高溫合金以及鈦合金等[1]。與復合材料相比，高溫合金在熱穩定性、熱強性和散熱能力等方面上具有較為明顯的優勢[2]。Inconel625（相近牌號GH3625、GH625）鎳基高溫合金是以Mo、Nb為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，在高溫下仍能保持其優良的綜合機械性能，較為適合用作高速永磁電機的轉子保護材料[3]。鎳基高溫合金在切削加工過程中具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重、加工硬化傾向大、不易斷屑等加工特點，從而使得其切削加工的難度大大增加，屬于典型的難加工材料之一[3]。因此對Inconel625合金的切削過程進行深入研究具有重要的理論和應用價值。

國內外學者對該類合金進行了很多的研究，其中包括熱變形行為特征、材料損傷機理、加工工藝和LAMM加工等方面，為難加工材料鎳基高溫合金的加工問題提供了有效的解決措施，并為其切削研究提供了大量的理論依據及技術支持。國外學者R.Ramanujam等在Inconel625干式車削中結合模糊函數和正交實驗設計的混合方法，以最小表面粗糙度、最小能耗以及最大的材料去除率為指標對加工參數進行了優化[4]。M.Hokka等利用試驗獲得的J-C材料本構模型建立了625鎳基高溫合金正交切削仿真模型，并進一步修正了625合金的本構模型。雖然仿真很好的模擬了切屑分離和鋸齒狀切屑的生成，但仿真結果中的切削應力和切屑形狀與實驗結果還沒有很好的吻合，為改進仿真模型的精度提供良好的理論及實驗基礎[5]。Bogdan S?odki利用WNMG 080404-23和VCMT 160404-SM兩種刀片對難加工材料Inconel625進行了車削，通過觀察切屑的形狀，提出了一種正確選擇切削參數的算法，并將該算法應用于仿真中，離線驗證了槽型的填充過程[6]。Avik Samanta等通過實驗及仿真對Inconel625進行了激光輔助機械微加工（LAMM）以獲得實驗過程表征并對切削力及殘余應力進行了預測，建立了激光輔助機械微加工熱-機械耦合場的有限元模型，并研究了激光功率、切削速度、切削刃半徑、前角、激光位置和激光光斑直徑對切削力和已加工表面殘余應力的影響[7]。

國內學者陶琳等通過等溫熱壓縮實驗獲得了Inconel625合金的真應力-應變曲線，通過非線性回歸建立了合金在高溫高速條件下的本構模型[8]。馬妙，陸永浩研究了載荷、振幅和頻率對Inconel625鎳基合金在常溫常壓下摩擦磨損性能的影響，并對磨痕表面形貌進行了觀察，探討了損傷機理[9]。何艷華分析了Inconel625的切削加工特點，提出了選用合適的刀具材料、刀具參數以及優化后的切削用量來解決難加工材料的加工問題[10]。劉逢博通過對氣相質譜分析儀中Inconel625零件的切削加工工藝的分析研究，總結并驗證出了合理有效的工藝方案[11]。

近年來，有限元仿真技術越來越廣泛地應用在金屬切削加工的模擬中。精確的有限元仿真模型不僅可以大量減少試驗時間及費用，而且能為真實的加工提供較為可信的參考。綜合分析國內外研究現狀，對Inconel625合金切削機理方面的相關研究較少，尤其是將有限元仿真分析方法以及試驗分析方法相結合的研究方法更為少見，因此，本文基于Deform-3D有限元仿真軟件建立了Inconel625合金切削過程的有限元仿真模型，得出不同切削參數下主切削力、切削溫度以及后刀具磨損量等切削過程變量的仿真結果，并結合相應試驗研究，分析了切削參數對切削過程的影響規律。

1 基于Deform-3D軟件切削仿真模型的建立

1.1 仿真模型的建立

利用Deform-3D軟件的金屬切削模塊進行仿真分析，利用軟件的前處理器進行有限元仿真模型的建立，運行所建立的模型，通過后處理器觀察相關的仿真結果，所采用的有限元仿真技術路線圖如圖1所示。

圖1 有限元仿真技術路線圖

利用三維制圖軟件UG對試驗過程中使用的刀具進行建模，為了保證仿真效率，刀片選截刀尖部分并導出.stl格式，再將其導入Deform-3D中作為仿真對象，如圖2所示。為了權衡模擬速度及計算精度，將刀具與工件的網格數目均劃分為10萬左右，且對刀尖以及工件與刀尖接觸部分進行網格的局部劃分，并設置加密窗口跟蹤刀具的運動軌跡，以軟件的自適應網格劃分方法來進行網格的重劃分。刀具及工件的網格劃分情況如圖3所示。

圖2 刀具模型的建立

圖3 刀具及工件的網格劃分

刀具基體材料為WC，涂層為coating-TiAlN，其材料屬性設置為剛性。工件材料為Inconel625，材料的主要物理性能見表1，其材料屬性設置為塑性。由于Deform-3D軟件的材料庫中并未封裝Inconel625此種材料，因此采用文獻[12]通過霍普金森壓桿實驗獲得的可以反映在高溫、大應變、大應變率條件下的Inconel625的Johnson－Cook流動應力模型（1），各項參數見表2，再將其結合物理性能生成該材料的.key文件并導入仿真模型中應用。

表1 Inconel625的物理性能

表2 通過霍普金森壓桿實驗獲得的Johnson-Cook本構模型參數

本文采用的Johnson-Cook本構模型為：

摩擦模型定義為軟件自帶的shea（r剪切）摩擦模型，摩擦系數為0.6，模型為：

式中：fs為摩擦力，m為摩擦系數，k為剪切屈服應力。

刀具磨損模型采用軟件自帶的并廣泛應用于金屬切削仿真中的Usui磨損模型：

式中：W為刀具磨損量，p為正壓力，V為工件材料相對于刀具的滑動速度，T為刀面絕對溫度，a與b為特征常數（主要由切削參數及材料決定），根據文獻[13]查得：a=3.6e-9，b=1200。

1.2 仿真過程切削參數的確定

Inconel625鎳基高溫合金（下文簡稱625合金）具有較好的高溫強度、塑性，良好的抗高溫氧化性、抗高溫腐蝕性等綜合性能，與此同時伴隨著較差的切削加工性，為了優選出適合其半精加工的切削參數，進行了單因素切削參數設計進而研究切削參數對切削過程變量的影響。在高速、低進給以及小切深的條件下對625合金進行仿真以及后續的試驗研究，詳細切削參數見表3。

表3 切削參數的取值用量

1.3 仿真結果提取及分析

刀具壽命是切削高溫合金的關鍵問題，而選用合理的切削用量對提高刀具耐用度又是十分重要的[14]，這里我們主要提取625合金切削過程中不同切削參數下的切削力、刀具及工件的溫度、刀具磨損等仿真結果。圖4所示為在切削條件vc=80m/min、f=0.2mm/r、ap=0.5mm下，刀具、工件表面溫度、切削力變化趨勢、后刀面磨損形貌的仿真結果。圖5、6、7分別為切削參數對刀具及工件的溫度、刀具磨損的影響，其中由于刀具磨損是隨著切削時間的累積而不斷變化的，因此，此處取相同的切削時間來提取各個切削條件下的后刀面磨損量的結果。

圖4 仿真過程中的物理量結果提取

圖5所示為固定f=0.2mm/r，ap=0.5mm，vc依次取40、60、80、100m/min下的刀具、工件溫度以及刀具磨損的仿真結果，分別提取的是刀尖處最高溫度以工件切削區域的平均溫度，以及同一切削時間下的后刀面磨損值。隨著切削速度的增大，刀具及工件的溫度呈上升趨勢，原因在于當切屑沿前刀面流出時，切屑底層與前刀面發生強烈的摩擦，這些摩擦產生的熱量在很短的時間內生成，來不及向切屑內部傳導，因此切削溫度會明顯的提高。

圖6所示為固定vc=40m/min，ap=0.5mm，f依次取0.10、0.15、0.20、0.25mm/r下的刀具、工件溫度以及刀具磨損的仿真結果，隨著進給量的增大，刀具及工件的溫度呈上升趨勢，原因在于進給量的增大使得單位時間內金屬切削量變多，所以產生的熱量多，但同時切屑變厚，傳熱面積增加，由此導致切削溫度稍緩上升的趨勢。

圖5 切削速度對切削溫度及刀具磨損的影響

圖6 進給量對切削溫度及刀具磨損的影響

圖7所示為固定vc=80m/min，f=0.2mm/r，ap依次取0.5、0.75、1、1.25mm下的刀具、工件溫度以及刀具磨損的仿真結果。隨著切削深度的增大，刀具及工件的溫度呈緩慢上升的趨勢，原因在于切削深度的增大雖然會增加大量的切削熱，但同時也會使切削刃參與工作的長度增長，改善散熱條件，故溫升不明顯。

圖7 切削深度對切削溫度及刀具磨損的影響

由仿真所得到的結果可以看出，隨著切削速度、進給量、切削深度的增大，刀具及工件的溫度以及后刀面磨損值均增大，并且三個參數對切削溫度及刀具磨損的影響程度是非常相似的。其影響程度為：切削速度的影響最大、進給量次之、切削深度的影響最小。在切削過程中，刀-工接觸區里發生著強烈的摩擦，這樣會產生很高的溫度和壓力。因此，前、后刀面隨著切削的進行會逐漸產生磨損。隨著前、后刀面的磨損，推擠力和摩擦力逐漸增大，功耗增加，產生的熱量增多，以使得切削溫度上升，由此可看出刀具磨損與切削溫度二者互相影響并相互作用，因此，二者受切削參數變化的影響程度也較為相似。

2 試驗驗證

對前面所建立的仿真模型進行了試驗驗證，提取了切削過程中的切削力、切屑、后刀面磨損形貌并與仿真結果進行了對比分析。

2.1 試驗系統

切削所用刀具為三菱公司生產的CNMG120408-MJ刀片，刀桿采用山特維克公司生產的DCLNR型刀桿，刀片刀尖部分前角為13°、主切削刃部分的前角為9°，后角為0°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。切削參數同仿真參數，切削試驗在數控車床CA6140上進行，采用瑞士KISTLER測力儀進行切削力的測量，利用超景深顯微鏡對刀具磨損形貌進行觀察，試驗裝置如圖8所示。

圖8 切削性能試驗裝置

2.2 試驗與仿真結果對比分析

圖9和圖10所示為在切削參數：vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm條件下仿真與試驗的后刀面磨損形貌以及切屑形狀的對比。

圖9 刀具磨損形貌對比

圖10 切屑形狀對比

從圖9、圖10中，我們可以看出仿真的后刀面磨損形貌與試驗所得的后刀面磨損形貌基本一致，靠近刀尖處的后刀面磨損比較嚴重。仿真得出的切屑的卷屑形狀與試驗所得的螺旋卷屑形狀基本相似。

圖11所示為仿真與試驗后經處理得到的主切削力平均值的數值對比以及所考察的三個切削參數對主切削力的影響。

如圖11所示，主切削力的仿真與試驗結果在變化趨勢上是相同的。從圖11(a)可看出，隨著切削速度的提高，切削力呈減小趨勢。主要原因在于隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸升高，前刀面摩擦系數減小，變形系數減小，使切削力逐漸減小，且漸趨穩定。從圖11(b)、(c)可看出，隨著進給量、切削深度的增大，主切削力增大，其中切削深度對切削力的影響程度比進給量f要大。主要原因為雖然隨著切削深度及進給量的增大，切削面積都成正比增加，但是，切削深度增大時，單位切削力不變，而進給量增大時，變形系數減小使得單位切削力減小，所以切削深度對切削力的影響更明顯。可以看出仿真的誤差在10%～15%之間，究其主要原因為仿真的前處理參數如傳熱系數、摩擦系數等與真實的試驗條件存在一定的差距，但誤差范圍在一定程度上是可以接受的，因此我們可以通過仿真來預測試驗的可行性、相關切削條件的選擇，以及判斷整個切削過程物理量的變化趨勢等等。

圖11 主切削力的仿真與試驗結果對比

3 結論

本文針對永磁電機轉子護套用高溫合金Inconel625展開了切削性能研究。采用有限元軟件Deform-3D建立了高溫合金Inconel625三維切削過程有限元仿真模型，并通過試驗驗證了該仿真模型的精度。結合試驗與仿真研究得出以下結論：

（1）車削Inconel625合金時，隨著切削速度的增大，切削力逐漸減小。隨著切削深度、進給量的增大，切削力均呈增大趨勢，其中，切削深度對切削力的影響程度更大。仿真與試驗得到的主切削力在變化趨勢上是一致的，數值上的誤差在15%以內，證明了所建立的仿真模型較為準確。

（2）車削Inconel625合金時，隨著切削速度、切削深度、進給量的增大，切削溫度均呈增大趨勢，隨著切削速度的提高，切削溫度上升幅度最大，進給量次之，切削深度對切削溫度的影響最小。刀具磨損隨切削參數的變化趨勢與刀、工溫度隨切削參數的變化趨勢相似。

（3）車削Inconel625合金時，中等的切削速度、較大的進給量以及較小的切削深度為該材料較為適宜的半精加工切削條件。

[1]董劍寧,黃允凱,金龍,等.高速永磁電機設計與分析技術綜述[J].中國電機工程學報,2014,(27):011.

[2]張鳳閣,杜光輝,王天煜,等.高速永磁電機轉子不同保護措施的強度分析[J].中國電機工程學報, 2013,(33):195-202.

[3]趙秀芬,王玉華,劉陽,等.鎳基高溫合金的切削加工[J].航空制造技術,2010,(11):46-50.

[4]Ramanujam R,Venkatesan K,Saxena V,et al. Optimization of Machining Parameters Using Fuzzy Based Principal Component Analysis during dry turning operation of Inconel 625-A hybrid approach [C].12th Global Congress on Manufacturing and Management,India:Elsevier Ltd,2014:668-676

[5]Hokka M,Gomon D,Shrot A,et al.Dynamic Behavior and High Speed Machining of Ti-6246 and Alloy 625 Superalloys:Experimental and Modeling Approaches[J].Experimental Mechanics,2014,54(2): 199-210.

[6]S?odki B.Chipformers reliability in Inconel 625 longitudinal turning[J].Management and Production Engineering Review,2013,4(2):93-101.

[7]Samanta A,TeliM,Singh R.Experimental characterization and finite element modeling of the residual stresses in laser-assisted mechanical micromachining of Inconel 625[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B:Journal of EngineeringManufacture,2015,37(8):745-8.

[8]陶琳,程明,張偉紅,等.Inconel 625合金高溫高速熱變形行為[J].材料熱處理學報,2012,33(9): 55-59.

[9]馬妙,陸永浩.Inconel625鎳基合金微動磨損性能研究[J].摩擦學學報,2012,(5):007.

[10]何艷華.鎳基合金的車削加工[J].金屬加工:冷加工,2010,(9):36-37.

[11]劉逢博.基于鎳基高溫合金加工工藝的研究與應用[J].機電產品開發與創新,2010,(5):143-145.

[12]趙娜.高溫合金Inconel625本構建模及切削過程仿真研究[D].哈爾濱理工大學,2016

[13]Lotfi M,Jahanbakhsh M,FaridAA.Wear estimation of ceramic and coated carbide tools in turning of Inconel 625: 3D FE analysis[J]. Tribology International,2016,99:107-116.

[14]沈興東,黃景衡.高溫合金的可切削性分析與切削刀具設計[J].工具技術,2006,40(9):50-54.

Simulation and Experimental Study on Cutting Performance of High Temperature Alloy Inconel625 for PM Motor Rotor Retaining Sleeve

YUE Caixu,HUANG Cui,LIU Erliang
(Mechanical Manufacture and Automation,Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080,China)

In this paper,the cutting performance of high speed permanent magnet motor rotor protection material nickel base superalloy Inconel625 is studied.A 3D finite element simulation model is established by using the finite element simulation software DEFORM-3D.The Johnson-Cook model is used to establish the constitutive relation of workpiece material,and the tool wear model is established based on the Usui model.The change of cutting force,the distribution characteristics of temperature field,tool wear and chip formation are obtained by finite element simulation.Combined with the experimental results,the influence of cutting parameters on the cutting force,cutting temperature and tool wear are analyzed,and the simulation model is verified.The research results provide a theoretical basis for the reasonable selection of cutting conditions and the improvement of the tool life,they also offer some reference dates for further research on the mechanism of Inconel625 alloy cutting.

Inconel625;finite element simulation;cutting force;cutting temperature;tool wear

TM351

A

1000-3983(2017)01-0045-06

2016-09-15

1.國家科技重大專項：航空發動機盤環軸零件國產化成套刀具產品開發及應用（2014ZX04001020-011）；2.哈爾濱理工大學青年拔尖創新人才培養計劃資助（201507）