基于有限元分析的高溫合金切削工藝參數(shù)優(yōu)化*

衛(wèi) 官 ，黃志偉

（濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南 濟源 459000）

1 概述

近年來，由于對飛機的性能要求越來越高，航空航天部件的材料也在發(fā)生變化，以減輕重量、提高機動性、增加載荷和延長使用壽命。航空航天部件中的中高溫合金含量在航空發(fā)動機和飛機結(jié)構(gòu)部件中占有重要地位。然而，高溫合金是一種比較難加工的工件。其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚大、尺寸精度高、金屬去除量大等特點。在加工工藝中，如何確保加工效率、加工精度和安全性是關(guān)鍵問題。目前，國內(nèi)的高強度難加工材料在制造中的應(yīng)用水平較低，與高強度的加工要求之間存在著巨大的矛盾，成為制約航空行業(yè)發(fā)展的重要因素。因此，開展難加工材料高效加工研究是航空工業(yè)的一個重要課題[1]。

鎳含量超過50%的高溫合金稱為鎳合金。鎳基高溫合金能在650 ℃~1 000 ℃下抵抗氧化和氣體腐蝕，并能承受各種復(fù)雜應(yīng)力和惡劣環(huán)境，是飛機發(fā)動機和火箭發(fā)動機的重要材料。鎳基高溫合金加工困難，主要原因有：切削力大、切削溫度高、硬化困難、切削速度快、加工硬化困難及刀具磨損嚴重。前角、后角和鈍圓半徑對材料的變形影響很大[2-3]。

高溫合金切削時，隨著切削溫度的升高，切削力的增大，刀具的磨損將會對工件的加工效果和表面質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。本研究的目標是GH4169高溫合金，采用有限元方法對其進行了力學(xué)分析和數(shù)值模擬。本文數(shù)值模擬了切削參數(shù)對GH4169殘余應(yīng)力、溫度場分布和切削力的影響，模擬了GH4169在不同切削速度下的磨損，并用單因素法和磨損法對模擬結(jié)果進行了驗證，為其今后在航空航天等方面的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐[4-5]。

2 鎳基高溫合金切削有限元建模

高溫合金具有良好的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、斷裂韌性和塑性等性能。但是，切削力大，切削溫度高，切削變形大，刀具易磨損。因此，對高溫合金的切削溫度進行研究，可以有效地降低刀具的磨損，改善零件的表面質(zhì)量。近年來，人們對高溫合金刀具的切削熱進行了大量的研究，以探討其磨損機制，從而延長其工作壽命。肖茂華等[6]對鎳基體高速銑削加工時的切削能量進行了分析，得出了切削功率、功率比及熱損率。孔凡霞等[7]利用微潤滑振動鉆削技術(shù)，從換熱機理出發(fā)，分析了冷卻機制，并對比傳統(tǒng)鉆孔的試驗，較好地解決了鉆削和切削工具的高速磨損問題。Kasim等利用球磨機對Inconel 718高溫合金進行了研磨和仿真試驗，分析了切削溫度及刀具磨損的影響。Coelho等對Inconel 718高溫合金高速車削時，刀具刃型對刀具磨損、表面粗糙度及切削溫度的影響進行了研究。目前，在高溫合金切削溫度的研究中，尚未優(yōu)化最佳工藝參數(shù)，不利于確定最佳工藝參數(shù)。因此，采用切削模擬和遺傳算法對切削用量進行優(yōu)化，確定最佳切削用量的選擇。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了最佳切削量的優(yōu)化選擇，并在一定程度上降低了刀具的最高溫度。

在實際加工中，影響加工精度和表面質(zhì)量的因素很多，因此加工效率受到嚴重的影響。馬天宇等[8]介紹了E1EFBNJ H加工GH4169的切削機理，對GH4169的切削工藝進行了有限元仿真，研究了切削溫度、切削力、切削形狀等因素對切削加工的影響。課題組對有關(guān)參數(shù)進行了切削試驗，并將模擬值與試驗值進行了對比，從而進一步證實了模擬計算的準確性。

2.1 有限元切削模型的建立

DEFORM-3D EF的坡口采用STL格式，采用UG軟件建立了模具的三維幾何模型，并給出了相應(yīng)的STL格式。在變形模擬軟件中引入了此模型。在刀具的幾何模型中，僅顯示刀片的位置，以節(jié)約計算時間，便于局部顯示。

工件的幾何模型是預(yù)先保留最后一個刀具形狀，以觀察當前刀具加工。將零件和工具的建模方法應(yīng)用到DEFORM中，并對其進行網(wǎng)格分割。房間起初是用一個相對的柵格來劃分的。最小的網(wǎng)眼大小是0.061 6 mm，總的單位是51 435；葉片數(shù)量為13 308，尺寸比為4。在不影響計算精度的情況下，當葉片和上片的安全系數(shù)達到網(wǎng)格寬度的1/2時，會發(fā)生較大的變形，從而保證計算精度，縮短計算時間。該工具為剛體，工件材料GH4169用作彈性材料[9]。

2.2 切削溫度分析

切削溫度是影響刀具壽命的重要因素。在仿真過程中，材料的彈性變形和工具與工具的摩擦是產(chǎn)生熱的主要原因。在進刀速度下，切削深度ap=0.11 mm，切削速度Vc=96 m/min時，熱區(qū)的一次變形和二次變形是兩種主要的控制因素。一次變形區(qū)域的切削溫度主要由切削剪切變形決定并以條帶形式存在，二次變形區(qū)域的切削溫度主要由刀具和切削界面的摩擦力決定。在切削過程中，整個切削區(qū)最高溫度約650 ℃，刀盤最高溫度約500 ℃，工件表面溫度相對較低。

2.3 殘余應(yīng)力分析

在加工過程中，由于殘余應(yīng)力的存在，加工工件的疲勞強度、靜強度、應(yīng)力侵蝕等都會導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)細小的裂縫，進而縮短零件的使用壽命。在進給速度Vf=0.11 mm/r、切削深度ap=0.2 mm、切削速度Vc=96 m/min時，隨著深度的增大，殘余應(yīng)力逐漸降低。在切削初始階段，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)。當距離切削面小于0.05 mm時，拉應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力；當距離切削面大于0.05 mm時，其呈現(xiàn)壓縮應(yīng)力，并隨距離的增加而減小。殘余壓應(yīng)力隨著深度的增加而增加，然后殘余應(yīng)力層中出現(xiàn)一個小的壓應(yīng)力，約為0.4 mm~0.8 mm，當深度小于0.4 mm時，殘余應(yīng)力消失，材料結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.4 刀具磨損的仿真

在PCBN刀具GH4169切削時，由于刀具磨損增加，切削溫度增加，切削力增加。為此，采用有限元法建立了PCBN刀具磨損預(yù)測模型，該模型作為輸出狀態(tài)變量（T、V等）的函數(shù)，并采用USUI的磨損率模型進行仿真計算：

當切削速度為120 m/min，進給速度為0.15 mm/r，后進給速度為0.2 mm/r時，可以看到葉片體的磨損。刀具的前表面呈月牙形的凹面，PCBN刀具表面的紅色硬度使其在高溫、高壓下產(chǎn)生了新的月牙狀磨損，最大等效應(yīng)力場出現(xiàn)在葉片體正面主葉片附近，并沿葉片體主體偏離方向逐漸減小，分布相對均勻；在這里，選擇了80 m/min、120 m/min和160 m/min的不同切削速度。在120 m/min的切削速度下，刀具磨損最小，新月形磨損最小；當切削速度為160 m/min時，刀盤出現(xiàn)一定程度的斷裂，隨著切削速度的增大，刀具的磨損也隨之增大。然而，當切削速度為80 m/min時，刀具的磨損會增大，這主要是切削速度太低造成的，導(dǎo)致刀具損壞并影響刀具的使用壽命。

2.5 切削參數(shù)對仿真過程的影響

本文以GH4169為例，利用有限元方法建立了合理的切削模型，對其切削機制進行了研究。包含切削速度、進給速度、切削深度等，并對GH4169切削加工過程中切削壓力、切削溫度等進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增大，刀具的最高溫度和表面溫度也隨之上升。在送料和切削深度方面，切削的表面溫度和速度都有增大的趨勢，但切削的形狀不會隨著進料速度和深度的改變而有明顯的改變。

當切削速度在120 m/min以下時，切削力隨切削速度的增大而降低，切削力、軸向作用力都會增加，但增加幅度很小。在切削速度為100 m/min~120 m/min時，切削力、徑向力、軸向力均為標準值以下。當切削深度增大時，切削力增大。軸向和徑向作用力均有較大的增加。主要切削力的增大趨勢趨于平穩(wěn)；軸向的作用力比剪切力、徑向作用力都要大。在0.35 mm的切削深度下，其徑向作用力比主切削力大。隨著送料速度的增大，剪切力并未發(fā)生明顯的改變，這說明送料速度的改變對剪切力的影響不大。切削面積隨進刀速度的增大而增大，使其產(chǎn)生形成力和摩擦，進而造成切削力的增加。但是，當切削速度、切削溫度升高時，切削液會發(fā)生較大的變化，同時，切削液所影響的切削厚度也會增加，導(dǎo)致切削力減小。

3 有限元仿真結(jié)果的驗證

在此基礎(chǔ)上，用瑞士KISTLER公司的9257B三通壓電壓力表測試切削力，或用沈陽第一機床廠的CA6140測試切削力。切削力隨切削速度的增大而降低，主切削力比徑向和軸向作用力大，而主切削力和軸向作用力的影響較小，能較好地控制徑向作用力，改善表面粗糙度。切削速度為120 m/min時，切削力、徑向力、軸向力均比較小[10]。隨著切削速度的增大，切削液的熱損失速率增大，同時，對刀具和工件的加熱也相應(yīng)增大。切削熱的輸入率與切削液的機械特性，尤其是熱傳導(dǎo)率有很大關(guān)系，因此在高速切削過程中，可以顯著地提高切削溫度。在100 m/min~120 m/min的切削速度下，可以得到更好的加工表面質(zhì)量，從而延長刀具的使用壽命。送料速度的改變不會對三個方向的剪切力產(chǎn)生明顯的影響，但是軸向作用力的減少比主剪切力和徑向作用力的減少要大。研究發(fā)現(xiàn)，當進給速度為0.14 mm/r時，主剪切力、徑向作用力、軸向力均隨著進給速度的提高而增大。對切削加工進行了全面分析，發(fā)現(xiàn)進給速度在0.15 mm/r~0.2 mm/r范圍內(nèi)時，能有效地降低切削溫度，減小切削力，延長刀具使用壽命。

當切削深度為0.25 mm~0.35 mm時，其軸向作用力比主切削力和徑向作用力大，徑向作用力比主切削力大，切削條件比較平穩(wěn)，不會有很強的振動。切削深度在0.35 mm以上時，切削液的振動會比較大。因此，切削深度參數(shù)更適合在0.25 mm~0.35 mm范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，采用DEFORM-3D對GH4169合金進行了三維切削建模，對比分析了切削速度、進給速度、切削深度等參數(shù)的變化，仿真分析了刀具和切削溫度的變化特性，并對仿真結(jié)果進行了單因素測試。研究成果如下：

1）利用有限元仿真與試驗數(shù)據(jù)進行比較，得到了切削力與切削溫度之間的關(guān)系。切削深度對切削力的影響最大，其次是切削速度，最后是進刀速度；隨著切削速度的提高，切削力降低，切削深度增加。切削溫度隨切削速度、進給速度、切削深度的增大而增大。

2）通過磨損試驗和模擬分析，發(fā)現(xiàn)新月形凹陷磨損只發(fā)生在葉片附近。在120 m/min的切削速度下，PCBN刀具的磨損最小。

3）通過仿真和試驗分析，確定了切削速度為100 m/min~120 m/min，進給速度為0.15 mm/r~0.2 mm/r，切削深度為0.25 mm~0.35 mm。