A286高溫合金切削性能有限元仿真分析

潘克強

摘 要：針對A286高鎖螺母切削過程中因切削力引起的變形，導致鎖緊、擰斷力矩變化的問題，基于ABAQUS建立三維車削模型，通過采用J-C本構方程進行模擬，獲得不同切削狀態下切屑、切削力和應力變化曲線圖，應用有限元仿真進一步分析不同切削狀態對切屑、切削力和應力變化規律的影響，為A286高鎖螺母實際切削加工參數的選擇提供參考。

關鍵詞：高溫合金;有限元仿真;切削狀態;切削力

中圖分類號：TH161文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0029-03

Abstract： Aiming at the problem that the deformation caused by cutting force in the cutting process of A286 high lock nut leads to the change of locking and screwing torque， a three-dimensional turning model was established based on ABAQUS. The curves of chip， cutting force and stress under different cutting conditions were obtained by using J-C constitutive equation. The finite element simulation was applied to further analyze the effects of different cutting conditions on chip， cutting force and stress the influence of the variation law provides a reference for the selection of actual cutting parameters of A286 high lock nut.

Keywords： superalloy;finite element simulation;cutting conditions;cutting force

高鎖螺母、高鎖螺栓連接副具有強度高、抗疲勞、自鎖、防振，并能實現高效的單面裝配等優點，其連接組件可提高結構連接區域疲勞壽命1.7～2.5倍[1]。依靠精巧的斷頸槽結構設計，當施加一定力矩時，斷頸槽斷裂工藝部分被擰斷，減輕了緊固件重量，同時工作部分完成高鎖連接副的裝配。

A286是以金屬間化合物γ'相強化時效沉淀強化型鐵基高溫合金[2]，適合制造長期工作在650 ℃以下的高溫承力部件[3]。但是，在A286高溫合金切削加工過程中，產生大量的切削熱，工件表面出現淬硬現象，導致表面硬化，局部應力增大，材料切除困難。此外，高鎖螺母斷頸槽壁厚較薄，甚至會出現工件變形，使零件尺寸一致性較差，影響力學性能，無法滿足力學性能要求。因此，對A286高溫合金的切削特性進行研究尤為重要。

1 A286切削過程ABAQUS仿真

1.1 模型的定義

在模擬車削實際加工過程中，工件以一定的速度[n]轉動，刀具以一定的切削深度[ap]沿回轉軸線按進給速度[f]切削，實現材料從坯料上去除。本文應用仿真軟件建立了不同切削狀態下高鎖螺母斷頸槽有限元三維模型，研究了A286高溫合金在不同車削狀態下的仿真結果。在仿真過程中，將刀具設置為剛體且具備熱傳導性能 ，刀具繞高鎖螺母中心線旋轉，忽略仿真過程中由溫度變化引起的物理化學變化。然后，考慮動力學、材料斷裂、接觸屬性和仿真切削過程中的熱力耦合問題。高鎖螺母切削仿真模型如圖1所示。斷頸槽回轉半徑為3.8 mm，壁厚為0.825 mm，切削寬度為0.5 mm。工件選用C3D8T八節點熱耦合六面體單元，刀具選擇常用的硬質合金YG8材料[4]。

1.2 材料本構模型

金屬切削仿真是非常復雜的過程，在材料塑性變形過程中伴隨大量的切削熱、大應變和高應變率。材料本構模型的選擇將直接影響切削仿真結果的準確性、可靠性和仿真是否具有實際意義[5-6]。

Johnson-Cook模型可以很好地模擬A286高溫合金在不同切削狀態過程中的加工硬化、應變率和熱軟化效應。本文在ABAQUS建模過程中，采用Johnson-Cook本構模型模擬A286高溫合金的參數定義，如式（1）所示。A286高溫合金材料參數如表1所示，Johnson-Cook本構模型參數設置如表2所示。

式中：[σ]為等效應力;[ε]為等效塑性應變;[ε]為等效塑性應變率;[ε0]為參考應變率;[T]為工件溫度;[Tr]為室溫（通常設置為20 ℃）;[Tm]為工件材料熔化溫度;[A、B、C、n、m]為Johnson-Cook模型材料物理特性常數[5]。

1.3 切屑斷裂失效模型

切屑形成過程采用與材料模型對應的Johnson-Cook斷裂失效模型定義，如式（2）所示，當失效參數值[D]大于1時，認為網格單元失效并刪除網格，形成切屑。

2 仿真結果分析

2.1 不同切削狀態下的切屑形態

本文通過單因素法研究不同切削狀態下切屑的形態，即只改變刀具前角，其他參數保持不變，切削參數設置為切削速度[vc] =630 m/min，切削深度[ap]=0.18 mm，刀具進給量[f]=0.12 mm。刀具前角分別選擇7.5°、12.5°、17.5°等進行斷頸槽的切削加工模擬，獲得的不同切削狀態下切屑形態如圖2所示。

通過仿真結果可知，在相同的切削速度、切削深度和進給量下，不同切削狀態下切屑均出現鋸齒形態。