基于Abaqus的鈦合金Ti6Al4V切削仿真與工藝優化

（安徽大學 機械工程系，合肥 230601）

0 引言

探明切削工藝參數對切削力、切削熱的影響規律，對實現鈦合金材料的高效高質量切削具有重要理論和實踐意義。建立切削加工過程仿真模型并進行有限元分析是研究切削加工機理的有效方法之一[1]。徐錦泱等[2]對纖維增強復合材料的切削加工過程進行仿真研究，探究了宏觀機械模型、微觀機械模型、微宏觀機械模型在切削仿真中的應用。郝兆朋等[3]借助有限元仿真對難加工材料鎳基高溫合金Inconel718切屑形成過程進行分析。李堯等[4]對合金鋼30CrMnSiA切削過程進行仿真，發現切削力隨刀具前角、主軸轉速的增大而先增大后減小。陸濤等[5]對鈦合金Ti6Al4V切削過程進行仿真，分析了Ti6Al4V高速切削條件下應力、應變、切削溫度的分布規律。

本文基于ABAQUS仿真平臺對鈦合金Ti6Al4V切削過程進行有限元模擬，采用正交試驗設計，極差分析和方差分析方法，研究刀具前角、切削深度、切削速度對切削力和切削溫度的影響規律，以期獲得鈦合金Ti6Al4V切削加工最佳的工藝因素水平。

1 切削仿真模型建立

1.1 幾何模型

工件幾何模型包含切屑層、連接層和基體三部分，長度均為12mm。切屑層厚度與切削深度相同，連接層、基體厚度分別為0.02mm和3.6mm。刀具幾何模型刀尖圓弧半徑為0.02mm，刀具前角γ為所研究工藝參數，后角為ξ=6°。切削仿真幾何模型如圖1所示。

1.2 初始條件和控制方程

圖1 工件、刀具裝配圖

根據工件在機床中的裝夾實際情況，約束材料基體左側和底部邊線的自由度；假定刀具為解析剛體，保留其沿水平方向運動的自由度，其速度等于切削速度vc；工件、刀具平面應力應變厚度（z方向）為0.2mm；初始溫度設置為室溫20℃；接觸副為切屑層右側、頂部與刀具，切屑層、刀具之間的摩擦符合庫侖摩擦定律，摩擦系數為0.3[6]；連接層失效準則為剪切失效。

材料模型選用Johnson-Cook（JC）本構模型。JC本構將影響流動應力的應變硬化效應、應變率效應與溫度效應用連乘的形式聯系在一起綜合反映變形熱力參數之間的數量關系，其表達式如式(1)所示。

式中，σ為等效應力，A為材料屈服強度，B為應變硬化參數，n為硬化指標，ε為等效塑性應變，C為應變率強化參數，為等效塑性應變率，ε0為材料的參考應變率，m為熱軟化參數，Tm為材料熔點，Tr為參考溫度。

Ti6Al4V材料的JC模型參數如表1所示。工件、刀具材料的物理、力學、熱學參數分別如表2、表3所示。

表1 Ti6Al4V材料JC本構參數[7]

1.3 網格控制

工件長度與厚度方向上皆為均勻撒種，長度方向撒種數量皆為300，切屑厚度方向，厚度每增加0.1mm撒種數量增加3，連接層厚度方向不撒種，基體厚度方向撒種數量為10。因為切削過程中的熱力作用區多集中于表面層區域，因此，切屑部分網格劃分比基體部分網格劃分密集。刀具刀尖、右邊、上邊皆為均勻撒種，刀尖撒種數量為3，右邊撒種數量為6，工件網格劃分結果如圖1所示。

2 仿真試驗設計

設計三因素四水平正交試驗L16（43），試驗方案如表4所示。

3 仿真結果及分析

3.1 仿真結果

圖2 鈦合金Ti6Al4V切削過程

表2 Ti6Al4V材料的物理、力學、熱學參數[8]

表3 刀具材料的物理、力學、熱學參數[6]

表4 切削仿真L16（43）正交試驗表

圖2所示為鈦合金Ti6Al4V切削過程等效應力和切削溫度典型分布云圖。由等效應力云圖看出，在第一變形區等效應力最大，第二、第三切削變形區等效應力相對較小。由切削溫度分布云圖可知，切屑形成過程中工件材料劇烈的塑性變形導致切削第一變形區溫度最高。

根據牛頓第三定律，切削力與刀具參考點的作用力等大反向，故由刀具參考點輸出切削仿真切削運動方向切削分力Fc、垂直切削運動方向切削分力Fp、切削合力Fs，并求得切削分力與切削合力在波動穩定區域的平均值，切削溫度T提取工件網格單元在切削過程中的最大值。試驗結果如表5所示。

表5 Ti6Al4V切削力和切削溫度仿真試驗結果

3.2 結果分析

3.2.1 極差分析

極差分析可以使復雜的多因素數據處理問題轉化為簡單的單因素數據處理問題，計算方法如式(2)～式(4)所示。

式中，Kj為所研究因素同等水平條件下對應的試驗數據之和（j為水平代號），x1、x2、x3、x4為所研究因素同等水平條件下對應的試驗數據，kj為所研究因素同等水平條件下對應的試驗數據平均值，g為水平重復數，R為極差，kmax為所研究因素的kj最大值，kmin為所研究因素的kj最小值。經過計算，得到切削分力Fc、Fp，切削合力Fs和切削溫度T的極差值如表6～表9所示。

表6 切削分力Fc極差分析表

表7 切削分力Fp極差分析表

表8 切削合力Fs極差分析表

表9 切削溫度T極差分析表

由極差分析表可知，切削深度是影響切削分力Fc和切削合力Fs的主要因素；刀具前角是影響切削分力Fp和切削溫度T的主要因素。切削分力Fc、Fp，切削合力Fs和切削溫度T與切削工藝參數的響應關系如圖3～圖6所示。

圖3 Fc與工藝參數之間的響應關系

圖4 Fp與工藝參數之間的響應關系

圖5 Fs與工藝參數之間的響應關系

圖6 T與工藝參數之間的響應關系

刀具前角為10°，切削深度為0.3mm，切削速度為180m/min時，切削分力Fc最小；刀具前角為10°，切削深度為0.3mm，切削速度為240m/min時切削分力Fp最小；刀具前角為10°，切削深度為0.3mm，切削速度為180m/min時切削合力Fs，最?。坏毒咔敖菫?0°，切削深度為0.3mm，切削速度為60m/min時切削溫度T最低。對于Fc、Fp、Fs、T四個指標，刀具前角皆以10°為最佳水平，且數值皆隨刀具前角減小而增大，切削深度皆以0.3mm為最佳水平，且數值皆隨切削深度增大而增大；切削速度對于不同指標影響不同，對于指標Fc、Fs，數值隨切削速度增大而先減小后增大，對于指標Fp，數值隨切削速度增大而減小，對于指標T，數值隨切削速度增大而增大。

3.2.2 方差分析

采用方差分析法可給出誤差大小的估計及指出因子的顯著性。判斷偏差平方和與誤差是否相同采用F檢驗，比較Fy值和所選顯著性水平α對應的臨界值Fa，并判斷該因素是否有顯著性的影響程度。對于Fy＞F0.01，表示在α=0.01水平上顯著，因素影響高度顯著，記為“***”；對于F0.01≥Fy＞F0.05，表示在α=0.05水平上顯著，因素影響顯著，記為“**”；對于F0.05≥Fy＞F0.1，表示在α=0.1水平上顯著，因素影響較顯著，記為“*”；對于F0.1≥F＞F0.25，表示在α=0.25水平上顯著，因素有影響，記為“-”；對于Fy＜F0.25，稱該因素不顯著，對所測指標看不出影響，不作記號。計算結果如表10～表13所示。

對于切削運動方向切削分力Fc，FA為11.709，FB為49.091，FC近似為0，由于FB＞FA＞F0.01（3，6）＞＞FC，因此刀具前角和切削深度都屬于影響高度顯著的因素，且切削深度因素的顯著度更高，而切削速度因素影響較?。粚τ诖怪鼻邢鬟\動方向切削分力Fp，FA為22.754，FB為2.622，FC近似為0，由于FA＞F0.01（3，6），F0.1（3，6）＞FB＞F0.25（3，6），因此刀具前角因素的影響高度顯著，切削深度因素有影響，而切削速度因素影響較??；對于切削合力Fs，FA為13.19FB為41.973，FC近似為0，由于FB＞FA＞F0.01（3，6）＞FC，因此刀具前角和切削深度都屬于影響高度顯著的因素，且切削深度因素的顯著度更高，而切削速度因素影響較??；對于切削溫度T，FA為16.631，FB近似為0，FC為4.511，因FA＞F0.01（3，6），F0.05（3，6）＞FC＞F0.1（3，6），表明刀具前角因素的影響高度顯著，切削速度因素影響較顯著，而切削深度因素影響較小。

表10 切削運動方向切削分力Fc方差分析表

表11 垂直切削運動方向切削分力Fp方差分析表

表12 切削仿真切削合力Fs方差分析表

表13 切削溫度T方差分析表

4 結語

基于Abaqus軟件對Ti6Al4V切削過程進行仿真，設計正交實驗，借助極差分析與方差分析方法，探究了刀具前角、切削深度、切削速度對工件切削力和切削溫度的影響規律，結論如下：

1）刀具前角對切削力與切削溫度影響高度顯著，當刀具前角為負前角時，切削力與切削溫度大大增加。刀具為正前角時，隨刀具前角增大，切削力與切削溫度有所減??；

2）切削深度對切削力影響高度顯著，對切削溫度影響不大，隨著切削深度的增加，切削力與切削溫度都有所增加；

3）切削速度對切削溫度影響高度顯著，切削溫度隨切削速度的增加而增加；切削速度對切削力影響不大，在高速切削條件下，當切削速度小于180m/min時，切削力隨切削速度增大而減小，當切削速度大于180m/min時，切削力隨切削速度增大而增大。