切削三要素對鈦合金薄壁件變形的影響試驗研究*

楊 樣，陳 夷，高 位

(重慶紅宇精密工業集團有限公司，重慶 402760)

0 引 言

隨著航空航天領域的發展，其對產品性能、強度、重量等指標的要求越來越苛刻，鈦合金材料也逐步成為核心結構件的重要輕量化材料之一。鈦合金具有強度高、耐高溫、耐腐蝕性強等優點，非常適用于承載大、溫度高的特殊載荷部位。查閱相關資料發現：某一代武器系統的毀傷部分，鈦合金的用量占32%，二代則高達47%?？梢酝茢?，鈦合金的用量將會隨著航空航天工業的發展而進一步增加。

薄壁結構本為難加工結構之一，加之鈦合金材料的難加工性，致使鈦合金薄壁件的變形更加難以控制。在加工過程中，切削力、切削振動、切削彈性等因素導致鈦合金薄壁件的受力形式更加復雜[1]。而切削三要素可以直接影響到切削力和切削振動，故而不合理的切削要素可能會直接影響工件變形乃至超差，從而無法滿足相應的工件質量要求。因此研究控制鈦合金薄壁結構件的加工變形技術，對進一步提升制造技術水平和生產能力也具有重要的促進作用。

筆者以TC4鈦合金薄壁件為研究對象，致力于控制其加工帶來的變形，理論分析車削加工中的受力情況，軟件仿真出變形量最小的切削參數，再進行實驗驗證，為鈦合金薄壁結構件車削加工提供行之有效的工藝參數。

1 車削過程的受力分析

金屬的切削過程，本質上是工件在刀具前刀面的推擠下發生了剪切位移，被剪切掉的材料變成切屑從工件上分離。在實際的車削過程中，工件發生塑形變形的情況較理論分析復雜，可分為三個變形區，見圖1。

圖1 金屬車削過程中的變形區示意圖

圖1中，第Ⅰ變形區屬于塑性變形，由于切屑受推擠的情況下發生剪切，形狀發生變化的同時也會產生大量的熱。第Ⅱ變形區是在刀具和工件的接觸部位。此區域中，刀具與工件金屬硬性摩擦，使工件和刀具的便面溫度大幅上升。第Ⅲ變形區發生在刀具后刀面與已加工表面的接觸區，刀具后刀面對工件表面有擠壓作用，工件表面被迅速硬化[2]。

整個加工過程中，切削力的變化都直接影響工件的變形、工件與刀具溫度的變化以及刀具的壽命。切削力是刀具和工件發生位移而產生的(第Ⅱ變形區)，同時切削力也用來抵抗工件的塑形變形的力，與工件材料(第Ⅰ變形區)和工件表面(第Ⅲ變形區)產生相對位移矢量。

便于分析，這里將切削力的產生過程理想化，將其按主運動方向、切深方向和進給方向分Fx、Fy和Fz三個相互垂直的分力。如圖2所示。

圖2 切削力分解示意圖

圖2中，Fz與被加工表面相切并與基面垂直，稱為主切削力。相關文獻表明，主切削力是三個切削分力中最大的一個，消耗高達總功率的95%左右，是本文研究的重點方向。Fx是與工件軸線平行的力。Fy處于基面內并與工件軸線垂直的力。三者關系可用如下經驗公式表示：

(1)

式中：Fr是切削過程中的綜合切削力。

國內外有學者通過相關實驗得到實驗數據，再利用最小二乘法擬合實驗數據，得處切削力指數公式，即：切削力的經驗公式：

主切削：

(2)

切深抗力：

(3)

進給抗力：

(4)

式中：CFZ、CFy、CFx是被加工材料和切削條件對切削力的影響系數；xFz、xFy、xFx是切削深度對切削力的影響系數；yFz、yFy、yFx是進給量對切削力的影響系數；zFz、zFy、zFx是切削速度對切削力的影響系數；KFz、KFy、KFx是實驗條件與經驗公式規定的切削條件不同時，各因素對切削力的影響修正系數。

2 切削深度對切削力影響的理論分析

2.1 切削三要素對切削力、切削變形的影響分析

根據公式(3)結合圖1金屬切削過程中的三個變形區圖可以看出，切削三要素對切削變形都有影響：

(1) 切削速度：當切削深度ap、進給量f不變時，切削速度v影響第Ⅱ變形區的切削溫度變化以及第Ⅲ變形區中的被加工表面質量[3]。

(2) 切削深度：當切削速度v、進給量f不變，切削深度ap影響切削寬度，所需要的切削力與ap呈正比。

(3) 進給量：當切削速度v、切削深度ap不變，進給量f與切削深度ap呈正比，進而切削力隨f增大而增大。

2.2 切削深度對切削力影響分析

文章從切削深度方面分析其對切削力、切削變形的影響。當切削速度v=50 m/min，進給量f=1 mm/r時，根據公式(2)可以計算出主切削力Fz的變化，見表1所列。

表1 切削深度影響主切削力的變化數據

從表1中可以看出，切削力與切削深度呈正比，且變化比較明顯，當切削深度呈倍數增加時，切削力隨之增加25%。這是因為切削深度增加時，切削面積也會增大，彈塑性變形和切削力都會隨之增加。

3 切削深度對切削力影響的仿真分析

仿真采用單因素變量法，在切削速度v=50 m/min，進給量f=1 mm/r時，改變切削深度ap進行三組仿真，具體仿真方案見表2所列。

表2 鈦合金CT4薄壁件車削仿真參數

3.1 車削模型的建立

薄壁件外圓直徑為306 mm，內圓直徑為277 mm，車刀采用55°車刀。運用SolidWorks建立車削模型，以x-t模式導入Ansys Workbench中進行仿真。由于工件直徑過大，為節約計算時間，僅截取工件直徑的1/12進行仿真分析，車削模型簡化為如圖3所示[4]。

圖3 鈦合金CT4薄壁件車削三維模型

3.2 添加材料庫、劃分網格

文中以TC4鈦合金薄壁件為研究對象，可自定義設置工件材料將其命名為CT4、設置刀具材料將其命名為DJCL并賦予給工件與刀具。具體材料參數如表3所列。

表3 鈦合金CT4薄壁件及刀具的材料參數

由于工件模型過大，全部采用較細的網格劃分會加長計算時間，因此采用局部網格細化劃分網格，只把需要車削的部分細化，網格劃分如圖4所示。

3.3 施加載荷約束、后處理

在實際加工過程中，車刀通常做進給運動，工件繞Z軸轉動，因此在施加載荷約束設置中，將車刀設為主動件做進給運動，工件設為從動件繞Z軸轉動，同時將車刀定義為不變形的剛體結構。在車削過程中，切屑從刀具的前刀面排出，刀具后刀面與已加工表面之間會有摩擦，因此將車刀和工件接觸的摩擦系數設定為0.2，摩擦類型為剪切摩擦，法向定義為硬接觸。仿真金屬切削過程中切削三要素對切削變形的影響，選擇受力計算。

3.4 觀察仿真結果及規律

三組仿真結果受力與變形結果顯示如圖5所示。

圖5 三組仿真試驗受力結果云圖

從表4可以看出，切削深度從0.25 m倍數增加至1.00 mm時，工件受力從1 021.3 MPa變成1 261.3 MPa再到1 545.9 MPa，受力隨之增加了約25%。這與3.2節中切削深度對切削力影響分析結果相吻合。

表4 三組仿真試驗受力結果

4 切削深度對切削力影響的實驗驗證

通過對切削深度對切削力的影響進行理論分析與仿真實驗，結果都表明切削力是切削變形的直接影響因素。本節在實際車削鈦合金薄壁件的過程中，通過測量薄壁件實物尺寸變形驗證了切削深度對切削力的影響。實驗件尺寸示意圖見圖6，車外圓時，分粗、精車，實驗條件見表5所列。

表5 實驗條件

圖6 鈦合金薄壁件尺寸示意圖

加工完成之后，用外徑千分尺測量圖2上φ288.87的實際尺寸，測量位置取φ288.87外圓互相垂直的2個方向。測量結果見表6所列。

表6 實驗工件的實測值

分析表5和表6，可以看出，工件的變形程度隨著切削深度的降低出現明顯的改善[5]。證明切削深度的降低，在切削過程中的切削力有明顯的降低。同時，當精車的切削深度不變，將粗車的切削深度降低，對切削變形有一定的改善；當粗車的切削深度不變，將精車的切削深度降低，工件的變形“腰斬”式降低。這也與表1中切削力的理論值向吻合。

5 結 論

文中通過理論分析切削三要素對加工過程中切削力的影響，得出切削深度對切削力影響最大，進而以鈦合金材料的薄壁件為實驗對象加以驗證。通過對比實驗件的實際加工尺寸，獲得不同切削深度下鈦合金薄壁件的變形量。

(1) 當切削速度v=50 m/min，進給量f=1 mm/r時，切削深度ap從0.25 mm成倍數增加至1.00 mm，切削力隨之增加25%，鈦合金薄壁件的實際尺寸的變形量也隨之增加到100%。

(2) 粗車時，切削深度ap從1.5 mm降低到1mm，對鈦合金薄壁件的變形控制有一定的改善；精車時，切削深度ap從0.5 mm降低到0.25 mm，大幅度降低了鈦合金薄壁件的變形。