基于DEFORM-3D對300M切削燒傷進行分析及加工過程改善

劉壯壯，周鵬

航空工業慶安集團有限公司 陜西西安 710007

1 序言

在國內外先進民航飛機的結構設計中，為滿足飛機長壽命、易維護、輕量化等需求，飛機零件結構向整體化、復雜化、薄壁化等方向發展，因此越來越多地采用整體結構設計，使用新型材料，提高飛機結構的強度。

隨著材料技術、鍛造技術、制造技術的不斷發展，使用超高強度合金鋼制造大型飛機起落架主承力結構件成為必然的選擇。300M材料具有良好的力學性能，因此廣泛應用于飛機關鍵零部件。

2 300M的材料特性

2.1 金屬特性

超高強度合金鋼300M是美國航空工業一種重要的合金鋼，在化學、物理方面具有獨特的性能，概括如下。

300M是一種低碳、低合金含量的鋼，與非合金鋼相比，具有較高的強度，固有“低合金超高強度鋼”之稱。其屈服點高，因此在相同載荷下，工件的質量可以減輕20%～30%，具有良好的塑性和韌性，合金材料中含有Ni、Cr、Mo等元素，使鋼的過冷奧氏體相當穩定，空淬即可獲得馬氏體和貝氏體組織。

2.2 加工特性

該材料具有良好的硬度，同時抗拉強度也非常高，正是因此，使得其非常難加工，屬于難加工材料，主要表現如下。

由于材料具有高的硬度和強度，原子密度和結合力大，斷裂韌度和持久塑性高，在切削過程中切削力大，而且切削力的波動也比較大。加工過程中產生的熱量多，在切削區集中了大量的切削熱，形成很高的切削溫度。再加上強化系數高，在切削力和切削熱的作用下產生巨大的塑性變形，造成加工硬化。由于切削時切削力大，切削熱高，刀具與切屑的直接摩擦加劇，所以導致刀具材料與工件材料產生親和作用，加上材料硬質點的存在和嚴重的加工硬化現象，刀具在切削過程中易產生黏結磨損、擴散磨損、磨料磨損和溝紋磨損，使刀具喪失切削的能力。切削時的切屑為帶狀的纏繞屑，既不安全，又影響切削過程的順利進行，也不便于處理。在加工中容易產生熱變形，因而一些精密尺寸和形狀不易保證。

從300M的材料特性和加工特性來看，此材料在加工過程中極易產生大量的切削熱，過多的切削熱會導致工件出現燒傷現象。

3 基于DEFORM-3D對工件切削熱進行分析

本文結合已有的有限元分析技術，利用仿真軟件DEFORM-3D，對低合金超高強度鋼300M的加工過程進行模擬仿真，主要分析加工過程的切削熱以及切削區域的切削溫度，從而得到合適的加工參數。利用有限元軟件進行模擬仿真主要有以下幾個步驟。

（1）建立幾何模型 在軟件中設置仿真切削工件的幾何形狀，包括直徑、長度和厚度等。

（2）網格劃分 可采用任意拉格朗日歐拉法在工件內部進行網格劃分，使網格在求解過程中能隨著設置的參數進行適當的調整，避免出現嚴重的畸變。任意拉格朗日歐拉法非常適合模擬切削加工，被普遍應用于模擬切削的研究中。

（3）定義初始條件 定義初始條件就是在DEFORM-3D中設置仿真加工的基本參數，具體設置如下。

1）設置切削參數。主要包括切削速度、背吃刀量和進給量等的設置。

2）工作環境和接觸面屬性設置。主要包括環境溫度、摩擦因數和熱導率等的設置。

3）刀具設置。主要包括刀具的角度、結構及材料等的設置，也需要設置刀具的邊界條件等，本次模擬使用的刀具材料為硬質合金WC。

4）工件參數設置。工件參數的設置包括工件材料、工件的邊界條件等，可從材料庫中選擇材料

300M。

5）設置模擬條件。包括運算結果存儲數據步數、終止及磨損條件的設置等。

（4）運行模擬過程 完成加工模型前處理后，會生成DB文件。在文件菜單目錄文件下，可以運行模擬過程。此時主要生成每一步的加工狀態，并保存下來，運行模擬過程界面如圖1所示。

圖1 運行模擬過程界面

（5）后處理 模擬過程運行結束后，可以通過軟件后處理查看模擬仿真結果，包括切削過程中切削力、切削溫度、刀具應力、刀具變形量和切屑的形成等。在軟件的后處理界面中，可以查看模擬加工過程中的溫度，如圖2所示。

圖2 模擬加工過程中的溫度

（6）模擬試驗 為了充分分析加工參數（切削速度、背吃刀量、進給量）對工件切削區域的切削溫度的影響，設計多組加工參數進行模擬分析，切削速度90～200m/min，背吃刀量0.05～0.4mm，進給量0.05～0.1mm/r。

設置多組試驗數據，經過模擬試驗，得出了切削速度、背吃刀量、進給量對切削溫度的影響，模擬試驗的結果見表1，其對應的溫度分布曲線如圖3～圖5所示。隨著工件切削速度、背吃刀量、進給量的增加，切削溫度呈遞增趨勢。

表1 模擬試驗結果

圖3 切削速度對切削溫度的影響

圖4 背吃刀量對切削溫度的影響

圖5 進給量對切削溫度的影響

4 加工過程改善

可以得出，在精加工時將切削速度控制在90～120m/min，背吃刀量控制在0.05～0.15mm，進給量控制在0.05～0.10mm/r，就可以將工件切削區域的切削溫度控制在300℃以下，避免工件出現燒傷現象。

以現場加工的某工件為例，工件直徑為6 0 mm，切削速度為1 2 0 m/m i n，背吃刀量為0.1mm，進給量為0.08mm/r。經過切削后，產生的切屑為銀白色，無溫度過高導致變色的跡象，如圖6所示。工件表面光滑，無環狀紋路，目視無氧化膜，如圖7所示。可以判斷工件加工后無燒傷，酸腐蝕檢測表明工件合格。

圖6 工件切屑

圖7 工件加工后表面

以此試驗數據和結論為基礎，能夠得出指導現場實際加工的切削參數的大致范圍，對于加工過程的改善有一定的指導意義。

5 結束語

300M材料是一種越來越被廣泛使用的材料，由于其特殊的性能，加工時會產生很大的熱量并導致工件表面燒傷，從而影響工件的加工。利用仿真軟件DEFORM-3D對加工過程中的切削溫度進行模擬仿真，可以得出較為實用的理論基礎數據。通過對基礎數據的驗證，發現其可以指導現場的加工生產，提高加工過程中技術問題的處理效率，同時可以減少資源浪費，縮短加工周期，降低成本，對于工件的順利生產有積極的促進作用。