基于DEFORM的鈦合金Ti6Al4V高速銑削力的研究

魏永峭，楊 棟，羅 嵐，周 波，侯 力

(1.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050；2.四川大學，四川 成都 610065)

鈦合金材料以比熱強度高、耐高溫、抗腐蝕性好等特性被廣泛應用于航空、航天、化工和特種汽車零部件等領域，然而鈦合金導熱系數低、彈性模量小易回彈、易切削溫度高、冷硬現象嚴重，并在切削過程中產生振動等特點使其成為典型的難加工材料，其中大的切削力是切削過程突出特點之一[1-2]。文獻[3-4]通過有限元數值模擬，對Ti6Al4V合金的高速切削進行了仿真與分析。文獻[5]針對不同的切削用量對高速切削鈦合金Ti6Al4V的切削力進行了分析。S.B.Yang等對置氫條件下車削鈦合金的切屑形成過程及切削力的變化情況進行了研究[6]。然而以上分析都對模型進行了相應的簡化與理想化。但由于切削力是描述材料加工性、顫振、刀具磨損、表面質量等相關加工信息的十分重要的物理變量。切削力直接反映加工材料的可加工性，理化特性以及加工變質層、刀具耐用度等特性。

因此，正確有效的鈦合金高速切削有限元模型以及有效的鈦合金J-C本構模型是正確模擬切削過程中的切削力變化情況的基礎，本文基于有限元仿真軟件DEFORM建立了更加真實的高速銑削三維有限元模型模擬鈦合金Ti6Al4V的銑削過程，并為切削力的變化提供預測，其誤差要符合工程實際要求。

1 鈦合金高速切削有限元模型的建立

1.1 鈦合金Ti6Al4V的本構模型

Johnson-Cook 本構模型廣泛應用于材料流變應力分析中，特別是針對流變應力受溫度及應變率影響較大的材料，而Ti6Al4V的組織類型為馬氏體型態，并且Johnson-Cook本構模型恰能反映了材料流動應力受應變，應變率及溫度的影響，因此選Johnson-Cook模型為本構模型，由式(1)給出[8]：

(1)

式中A代表材料的屈服應力，B、n為材料的應變強化參數，C為經驗性應變率敏感系數，m為熱軟化系數，ε為等效塑性應變，T為工件溫度，Tr為材料的熔化溫度，Tm為室溫。

很多學者通過不同的特征參數對鈦合金切削Johnson-Cook 本構模型進行了研究，如表1所示[9-10]：

表1 已發表的J-C本構模型特征參數

1.2 材料失效切屑分離準則

Johnson-Cook 準則目前適合于高速切削有限元仿真，該準則是基于單元積分點的等效塑性應變，其綜合考慮了應力、應變率、溫度的影響，當材料的時效參數大于1時，則材料發生失效。失效參數的定義如下[11-12]：

(2)

(3)

1.3 材料模型的建立

1.3.1 工件材料參數

工件選用的鈦合金為Ti-6Al-4V，其密度為4440kg/m3，硬度為HRC 36，膨脹系數為9.1X10-6/℃，熔化溫度為1635-1650℃，楊氏模量為113.8GPa，泊松比為0.342，抗拉強度為1450 MPa，屈服強度為970 MPa。由于Ti-6Al-4V 是熱敏感材料，在切削過程中高溫對材料的性能將產生很大影響，尤其是楊氏模量，熱導率，比熱容這三個參數。

1.3.2 刀具材料參數

本文中采用硬質合金刀具CNMA432，其主要成分是WC和Co，被廣泛應用于鈦合金高速切削加工過程中，其性能及組成成分與我國YG8硬質合金刀具接近，其彈性模量為64GPa，泊松比為0.2，膨脹系數為4.5X10-6/℃，比熱容為220 J/(Kg·℃)，熱導率為75.4 W/(m·K)。

1.4 有限元模型建立

在加工過程中切削力是重要物理變化量現象之一，其直接決定切削熱的產生并影響刀具磨損、使用壽命及加工精度等。本文基于Deform仿真平臺建立了高速切削鈦合金Ti-6Al-4V有限元模型，其有限元模型如圖1所示。在三維模型中，本文使用MCLNL夾持器，CNMA432無涂層硬質合金刀片，刀具前后均為5°，刀片前端角80°，為了較好實現刀具與切屑之間的熱傳遞，刀具一共劃分155023個有限元單元，四面體網格，最小網格邊長為0.01mm，刀具材料作剛性設置。工件材料共劃分136630個有限元單元，最小網格邊長0.03mm。

圖1 三維有限元切削仿真模型 圖2 切削力波動示意圖

在建立的鈦合金高速切削有限元模型的基礎上，將表1中所有現有的J-C模型特征參數分別帶入建立的有限元模型進行仿真，其中切深量為0.1mm，進給量為0.254mm/rev，切削速度分別取1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，一共進行切削仿真32次。切削實驗數據來自Ali.M.H[13]等學者的實驗，切削參數、刀具型號與機械刀夾型號均與文章中所建立的有限元模型中的參數一致。在高速切削有限元模型中，切削力達到穩態之后依然會有波動，如圖2所示。本論文所提取的仿真切削力是在多次試驗剔除畸點之后的平均值。

從圖可以看出仿真模擬過程分為初始階段和穩定階段。在切削初始階段切削力迅速增大到某一較大值，到進入到穩態階段之后其值的大小在局部范圍內進行較小的變化，并會出現一定的波動，主要是因為：(1)由于當刀具剛開始對工件進行切削時，刀具與工件的接觸部分單元網格受到刀具前刀面擠壓而產生變形，隨著變形程度的不斷增加，使得主切削力也隨著變形的抗力增大而相應的增加，并到達一個較大值；(2)在開始切削的瞬間由于加工過程會伴隨有網格不斷重劃分的過程，使得加工過程出現不連續性及失效的單元網格數目和其位置均存在很大的不確定性，因此產生了切削力數值的上下波動；(3)當其中的某些單元網格變形達到材料所設定的變形極限時會出現單元網格失效，從而使得切削力也相應的減小；(4)在切削進入到穩態階段后，切削力在微觀和宏觀上均呈現出有規律性的上下波動，只是因為切削到達平穩階段之后，工件會出現有規律性的單元網格失效，而此時在各個瞬間失效的單元網格數目及其位置均為固定的，從而主切削力的大小便穩定在了一個數值。

2 鈦合金高速切削有限元仿真結果及實驗對比

為了更好地觀察速度對不同J-C特征參數下切削力的影響，評價現有傳統J-C模型的準確度，本論文分別給出各組本構模型仿真切削力與實驗數據的比較，如圖3所示。從圖3中可以看出，以誤差15%作為標準，在切削速度為1.0m/s時，本構模型2、3、5、8符合標準；在切削速度1.5m/s時，本構模型4、5、6符合標準；在切削速度2.0m/s時，本構模型5、6符合；切削速度2.5m/s時，本構模型2、5、6、8符合標準。同時，我們應該觀察到本構模型2在切削速度為1.0m/s和2.5m/s時能夠以低于5%的誤差模擬切削力，然而在其他兩個參考速度下誤差較大，同樣的情況也發生于本構模型6和本構模型8。

圖3 本構模型仿真切削力與實驗數據比較

本構模型1、5、7、8能夠很好地模擬出鈦合金高速切削時在研究速度范圍內，切削力隨切削速度的增加而下降的趨勢，特別是本構模型5，在本文研究速范圍內能夠控制切削力仿真誤差在13%之內。

3 結論

本文通過研究鈦合金Ti-6A1-4V高速切削過程中8組傳統的Johnson-Cook本構模型在不同速度下的切削力變化情況，可看出傳統Johnson-Cook本構模型特征參數的選擇對仿真結果非常敏感，即使是同一個J-C本構模型，它對切削速度的適應性也有非常大的差距。隨著切削速度的增加，應變強化部分對切削力的影響變弱，而低速時切削力受應變強化效應影響較大；因此，在選擇J-C本構模型進行切削力，切削參數，切削溫度以及刀具磨損等研究時，一定要注意不同J-C本構模型對當前研究工況的適應性。