基于有限元模擬的鈦合金TC4車削仿真研究

王磊 唐山市特種設備監督檢驗所

干式切削技術是為適應可持續制造戰略而發展起來的一項綠色切削加工技術。1995年，干式切削的科學意義被正式確立。1997年，德國Aachen工業大學的F.Klocke教授在國際生產工程研究會(CIRP)年會上做了“干切削”的主題報告，進一步確立了干式切削在金屬切削加工領域的重要地位。相比于傳統潤滑加工，干式切削技術能夠降低設備消耗，減少加工工序，縮短裝卸時間，并且由于干式切削清潔無污染，符合環境保護要求，各國開始爭相加大對干式切削研究工作的投入力度。硬態干式切削是把淬硬鋼等高硬度（>45HRC）零件的切削作為最終精加工工序，且在加工中不使用切削液的一種新工藝方法。該方法具有保護環境、經濟效益好、可獲得良好的整體加工精度和表面質量以及提高加工柔性等優點。硬態干式切削研究的目的就是在沒有切削液冷卻、潤滑和排屑的條件下，探討改善高硬度零件加工質量、延長刀具壽命和提高生產率的途徑和方法。

1 提高加工表面質量的優化研究

為了獲取和磨削加工相當的表面質量，對硬態干式切削工藝優化的研究主要集中在分析切削參數變化對表面質量的影響，從而獲得諸如最優加工表面粗糙度下的切削參數組合。在硬車AISI 52100滾動軸承鋼的研究中，K.Bouacha等人優化得到的表面粗糙度是Ra0.19μm，對應的切削速度v=246m/min，進給量f=0.08mm/rev，切削深度ap=0.15mm。而N.C.Camposeco等人在綜合考慮材料切除率和刀具壽命的前提下，對工件表面粗糙度優化結果為Ra=0.95mm，得到的最優切削參數組合為切削速度v=434m/min，進給量f=0.14mm/rev，切削深度ap=2.3mm。在硬態干式車削AISI H13鋼的研究中。B.A.Beatrice優化的結果是粗糙度為Ra=0.91μm，得到的最優切削參數組合為切削速度v=95m/min，進給量f=0.05mm/r，切削深度ap=0.5mm。然而對于同樣工件材料的銑削研究表明，在優化工藝參數的同時，優化刀具路徑軌跡，可以使工件表面粗糙度達到Ra=0.1μm，完全能夠取代磨削加工。由以上學者所做的相關研究可知，硬態干式切削條件下的切削速度、進給量和切削深度對工件加工表面粗糙度有著顯著的影響，優化切削用量可以改善加工表面粗糙度，在一定條件下可以獲得“以車代磨”的效果。

在關注加工表面粗糙度的同時，有關工件表面硬度和殘余應力的研究，對改善工件使用性能也是非常有意義的。H.K.T―nshoff等人對硬態干式切削的研究工作表明，已加工表面微觀硬度受進給量和后刀面磨損量的影響較大，進給量越小，磨損量越大，表面硬度越高。劉獻禮等人的硬態干式切削正交試驗結果表明，已加工表面硬度隨切削速度的提高而增加，隨進給量和切削深度的增大而降低，而且已加工表面硬度越高，硬化層深度越大。他們還發現，硬車過程中已加工表面硬度雖有所提高，并產生一定的硬化深度，但對表層的金相組織無破壞。A.R.C.Sharman等人車削高溫合金Inconel 718，實驗結果表明刀具磨損對工件微觀結構和殘余應力有顯著影響，并且工件加工后的表面殘余應力受到刀尖圓弧半徑的影響。P.I.Varela等人研究了硬態干式切削4340M高強度鋼過程中切削刃幾何形狀和工件硬度對工件表面殘余應力的影響，實驗中分別選用尖刃、倒棱、鈍圓三種刃部形狀的CBN刀具。測試結果顯示，刀具鈍圓半徑越大，殘余壓應力值越大；工件硬度越高，殘余壓應力值越大。F.Jafarian等也認為工件硬度對工件表面完整性的影響極大，工件硬度值越大，越有利于殘余壓應力的形成。同時，刀具幾何形狀也影響殘余應力的形成，雙倒棱和大鈍圓刀具所形成的殘余壓應力遠遠優于單一倒棱和尖刃刀具，但切削參數諸如切削深度和進給量對殘余應力沒有顯著影響。

2 鈦合金切削加工的特點

鈦合金本身所具有的物理和化學性能給切削加工帶來了困難，其難加工性具體表現有以下6點：

1)鈦合金的導熱性差，是不良導熱體金屬材料。由于導熱、導溫系數小，是45號鋼的1/6，所以在加工時所產生的高熱量不能有效擴散，同時刀具的切削刃和切屑的接觸長度短，使熱量大量聚集在切削刃上，溫度急劇上升，導致刀刃的紅硬性下降，刀刃軟化，加快刀具磨損。

2)鈦合金的親和力大。鈦合金在加工中黏刀現象嚴重。增大了刀體與工件的摩擦，摩擦導致大量的熱，降低了刀具的使用壽命。

3)高的化學活性。在加工中，隨著切屑溫度的升高，容易與空氣中的O、N、CO、CO2、H2O等發生反應，使間隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化變硬，難以加工，增大了刀具單位面積上所承受的切削力，刀尖應力變大，同時使前刀面和后刀面與工件的摩擦加劇，這將導致刀刃迅速磨損或崩刃。

4)鈦合金的變形系數不大于1。在切削加工中，刀-屑接觸面積小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削溫度，加快了刀具前刀面磨損。

5)鈦合金的彈性模量小，在切削中容易產生較大變形、回彈、扭曲和振動，造成加工件幾何形狀和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨損增加。

6)不同的加工方法，鈦合金的加工難度不同。按機械加工由易到難排序為：車削、銑削、鉆削、磨削。其中鉆小直徑深孔更困難。