鈦合金Ti-6Al-4V切削仿真溫度分析

劉慧磊

摘 ? 要：采用單一變量法，設置不同的切削速度和進給量，將三維切削過程合理轉化為二維平面切削，來分析切削區溫度場變化。從仿真云圖和溫度曲線圖中得出隨著切削速度的增加，車刀和切削層的擠壓越強烈，產生的塑性功和切削熱也就越多，使切削區溫度不斷升高，且增長趨勢逐漸增大。隨著進給量的增加，切削溫度不斷上升，相對于進給量，切削速度對溫度影響更大，在實際生產中可以通過優先改變切削速度來控制切削區溫度。

關鍵詞：切削參數 ?有限元仿真 ?鈦合金Ti-6Al-4V

中圖分類號：TH164 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0096-03

鈦合金Ti-6Al-4V強度高，耐腐蝕，常用于航空航天制造業，但是熱導率低，約為鐵的1/5。傳統的切削試驗中，鈦合金的切削速度較低，多為50m/min以下[1]，因此，對鈦合金不同速度下的切削仿真模擬就顯得尤為重要。

本文采用單一變量法，設置不同的切削速度和進給量，來分析切削區溫度場變化，為選擇合適的切削用量和實際生產加工提供參考依據。

1 ?有限元仿真模型建立

在實際生產加工過程中，影響工件加工誤差的因素很多如：尺寸精度和已加工表面完整性，包括切削用量、刀具幾何參數、材料，裝夾和工藝等等。因此，金屬切削加工有限元仿真，是一個非常繁雜的熱力耦合分析過程，所以，為了提高有限元仿真的效率，需要對切削過程進行合理的簡化。本文采用自由正交切削，將三維切削過程轉化為二維平面切削，其中切削仿真中的水平力和真實車削中車床的沿Z軸的分力相近，仿真中的豎直力和車床沿X軸的分力相近，在二維車削仿真中只有水平分力和豎直分力，無第三方力，這是對三維切削過程的簡化[2]，如圖1所示，Ti-6Al-4V的化學成分見表1，物理參數見表2，切削加工方案見表3，仿真中切削刀具采用細晶型硬質合金刀具YG6X，其前角5°，后角7°，刃傾角0°。

1.1 材料本構模型

在干硬切削過程中，工件首先進行彈性變形，然后進行塑性變形，并伴隨著材料的失效和破裂，因此，選擇合適的材料失效模型對仿真的準確度有著重要作用，本文選擇Johnson-Cook本構模型，該模型是一個以經驗為主的本構模型，主要應用于大應變、高應變率、高溫變形的材料，也可應用于各種晶體結構，在溫度從室溫到材料熔點溫度范圍內都是有效的，并且可以反映應變硬化效應、應變率效應與溫度效應對材料流動應力的影響，特別適合用來模擬高應變率下的金屬材料[3]，具體表達式見下式（1）：

2 ?仿真分析

根據建立的有限元仿真模型，將相關材料參數，刀具參數，切削參數輸入到ABAQUS數值模擬軟件中，得到不同試驗參數下的溫度場云圖（見圖2，圖3）。

從仿真云圖和溫度曲線圖（見圖4，圖5），可以看出，隨著切削速度的增加，前刀面與工件的擠壓程度越深，產生的塑性功和切削熱更多，引起切削區溫度升高，并且增長趨勢越明顯，但溫度并未超過材料的熔點。進給量增加時，切削區溫度增長不明顯，這說明，切削速度對溫度的影響更大。

3 ?結語

采用單一變量法對不同切削速度和進給量下的切削過程進行了數值模擬，得出，隨著切削速度的增加，車刀和切削層的擠壓越強烈，產生的塑性功和切削熱也就越多，傳熱層厚度也在增加，切削區溫度也不斷升高，增長趨勢越加明顯，其中刀尖附近和前刀面與切屑的接觸區溫度較高。

隨著進給量的增加，切削溫度也在不斷上升，相對于進給量，切削速度對溫度作用更大，因此，在實際生產中可以通過優先改變切削速度來達到控制切削區溫度的目的。

參考文獻

[1] 張松，李斌訓，李取浩，等.切削過程有限元仿真研究進展[J].航空制造技術，2019，62（13）：14-28.

[2] 丁源. ABAQUS 2018有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2019.

[3] Johnson G R， Cook W H. Fracture character theistic of three metals subjected to various strains strain rates， temperatures and pressures[J]. Engineering fracture mechanics， 1985， 21（3）： 31-48.