鎳基高溫合金切削仿真分析

田洪軍

摘要：采用有限元仿真軟件AdvantEdge FEM來模擬Inconel718的切削加工，通過建模、網格劃分、設置參數來進行切削仿真計算，主要研究了切削過程中的切削溫度、應力以及殘余應力的分布情況，對實際切削加工提供理論參考。

關鍵詞：切削模型;切削仿真;殘余應力

一、引 言

鎳基高溫合金具有較好的耐熱性、屈服強度、抗氧化、抗腐蝕等特點，廣泛的應用在航天航空、汽車、核工業等眾多行業。本文通過有限元仿真軟件對鎳基高溫合金在切削加工中進行研究，所選用的高溫鎳基合金材料為美國牌號Inconel718，因其導熱性能低、切削溫度高、加工硬化等現象，造成切削加工中刀具磨損相當嚴重，因此，鎳基高溫合金為難加工材料之一。

Inconel718在切削加工方面的困難，引起國內外眾多學者的研究，本文采用專業切削軟件AdvantEdge FEM對Inconel718進行切削仿真。

二、AdvantEdge FEM建模與仿真

（一）切削模型的建立

金屬切削分為兩種情況，正交切削與非正交切削。正交切削是切削刃與切削速度方向垂直，刃傾角為零度，在切削研究中，通常將實際切削簡化為正交切削。

本文中通過AdvantEdge FEM對鎳基高溫合金Inconel718進行切削模擬仿真，通過單因素變量的方法來研究切削參數對切削加工過程的影響。

（二）工件材料本構模型

本文采用的是專業切削軟件AdvantEdge FEM進行45鋼的切削仿真，在有限元切削模擬中，首先需要建立相應的有限元本構模型，根據Power Law（冪次法則）建立材料的本構方程為：

（四）切削參數設置

在模擬切削高溫鎳基合金中，選用切削刀具為硬質合金刀具M10（對應國內牌號為YW1），初設溫度選擇10℃;工件材料選用Inconel718，抗拉強度為1613MPa、屈服強度1103MPa、硬度454Bhn。

三、模擬結果與分析

切削過程的模擬結果圖具有一定的相似性，本文中均以切削參數為：ν=44m/min，?=0.1mm/r，ap=0.3mm為例，來說明切削溫度、應力場、殘余應力的模擬結果圖示。

（一） 溫度場以及切削力的分析

切削過程中在刀具與切屑接觸處產生大量的熱量，從模擬結果上可以看出切削熱大部分傳遞到切屑、刀具以及工件上，其中絕大部分熱量被切屑帶走，切削溫度隨切削速度的增加而快速升高。圖1為在切削速度ν=44m/min時切削溫度場的分布視圖，其中刀尖峰值溫度達到720℃，溫度過高導致切削刀具軟化，加速其在切削過程中的磨損。

（二） 應力場分析

從模擬結果圖2可知，切削應力場主要集中在刀尖與工件接觸處，是導致刀具嚴重磨損、崩碎、破壞失效的主要原因。

（三）殘余應力分析

殘余應力的大小和分布嚴重影響著工件的性能以及使用壽命，在模擬結果圖3可以得出，加工工件表面的殘余應力最大，隨著深度的增加參與應力減小，向零值趨近。

四、結論

本文在有限元仿真軟件中建立了鎳基高溫合金切削模型，通過模擬仿真得出其切在削過程中，切削溫度、應力場、殘余應力的分布情況，并得出如下結論：

（1）從模擬結果可知，在Inconel718的切削加工中，切削溫度隨著切削速度的增加而升高;

（2）切削應力場主要集中在刀尖與工件接觸處，此處應力最為集中，接近甚至超過刀具的應力屈服極限，是導致刀具嚴重磨損、崩碎、破壞失效的主要原因。

（3）鎳基高溫合金Inconel718加工過后，殘余應力主要集中在表面，且隨著深度的加深，殘余應力逐漸減小，有趨向零值的趨勢。

參考文獻：

[1] E.O. Ezugwu， Machining of nickel-base， Inconel 718， alloy with ceramic tools under finishing conditions with various coolant supply pressures. Journal of Materials Processing Technology 162–163 （2005） 609–614

[2] D.G. Thakur， Study on the machinability characteristics of superalloy Inconel718 during high speed turning. Materials and Design 30 （2009） 1718–1725