基于DEFORM對Inconel 718合金車削加工的刀具磨損仿真研究

楊振陽　龔文邦　凌遠征　周鐘鼎

摘 要：為了研究切削參數對難加工材料Inconel 718合金刀具磨損的影響規律，基于DEFORM軟件對Inconel 718合金材料進行正交切削仿真試驗，研究結果為車削Inconel 718合金零件提供理論支持。

關鍵詞：仿真分析；Inconel 718合金；正交試驗；刀具磨損

中圖分類號：TG506.7 文獻標識碼：A文章編號：2095－414X（2023）05－0058－03

0? 引言

Inconel 718是一種沉淀強化的鎳基高溫高強合金，含有鈮、鉬、鋁和鈦等元素[1]，在-253℃～700℃的溫度范圍內具有良好的綜合性能，包括抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性?？杉庸ば愿?，可以用于復雜的零部件，廣泛應用于航空航天、電氣和石油工業等領域[2-3]。但是由于Inconel 718合金的導熱性差，在加工時會產生表面硬化，導致刀具加劇磨損，增加加工成本。

為了有效提高Inconel 718合金的生產效率，降低加工成本，許多學者對Inconel 718合金進行了研究。王哲等[4]使用田口方法對Inconel 718合金進行正交切削仿真試驗，采用單因素法、灰度關聯法探究分析切削三要素對切削力和切削溫度的影響。張好強等[5]通過研究鉆頭的磨損形式、影響因素和磨損機制，從刀具幾何形狀、刀具材料和輔助鉆削方法等方面提出了一些提高孔加工質量的措施。楊興林等[6]基于有限元分析軟件DEFORM模擬Inconel 718合金的車削過程，研究其車削過程中切削力和切削溫度的變化以及切削三要素對切削力和切削溫度的影響規律，結果表明：切削深度對切削力影響最大，其次是進給量。王文豪等[7]建立車削加工有限元模型，采用單因素控制法探討刀具前后刀面和刀尖刃口等因素在不同程度磨損狀態下對工件表面殘余應力的影響，并進行相關實驗驗證。

本文基于金屬切削原理，借助有限元仿真的方法，研究Inconel 718高溫合金的車削過程，探討切削三要素對刀具磨損的影響規律，為最優工藝參數的選擇提供理論支持。

1? 有限元模型的建立

1.1? 材料參數

仿真切削試驗的材料物理性能如表1所示。

1.2? 材料本構方程

本構方程描述了材料的變形參數如材料的應力應變、溫度和應變速率等，并決定了材料的力學行為[8]。因此，本構方程是保證有限元模擬精度的關鍵。J-C本構方程常被用于Inconel 718合金的仿真研究中，其數學描述如下：

式中，σ為材料的流動應力，A為屈服強度，B為應變硬化系數，n為應變硬化指數，C為應變率硬化系數，m為熱軟化系數， ， ， 分別為等效應變，等效應變率和參考應變率，T，T0，Tm分別為切削溫度，環境溫度和材料融化溫度。其詳細參數見表1和表2。

1.3刀具磨損模型

在實際金屬切削過程中，在刀具與工件間會出現十分復雜的摩擦磨損現象。因此，在有限元仿真中選擇好刀具的摩擦模型以及設置相關摩擦系數非常重要。Usui模型較為適合應用于研究切削加工Inconel 718合金，該模型表達式為：

式中，p為接觸應力，V為相對速度，a、b為校準系數。通過查閱文獻[9]，a為1×10-6，b為855，如圖1所示。

1.4仿真模型

為簡化仿真，取工件φ60mm，圓心角為20°的一段圓弧進行研究，刀具材料選用硬質合金，在DEFORM數據庫中導入刀具和工件，如圖2所示。

將熱對流系數設置為45 N/（s·mm·℃），刀具與工件的摩擦系數為0.6。

2仿真分析

對刀具磨損產生影響的切削參數主要有切削速度v、進給量f、切削深度ap等。為了減小試驗的盲目性，縮短試驗周期，得到科學的試驗數據，本試驗通過正交試驗對刀具磨損量進行研究，得到的三因素四水平表如表3所示。在整個切削仿真過程中，每組試驗均仿真了600載荷步，試驗方案及結果如表4所示。

極差分析可以分析出各切削要素對刀具磨損影響趨勢和程度，表5為極差分析表，圖3為對應的極差分析圖。

由表5和圖3可以直接看出，進給量對刀具磨損最大，其次是切削深度。進給量增大會引起切削力集中在刃尖，導致刃尖溫度升高、磨損加劇。隨著切削區域溫度的上升，工件的硬度與強度下降，塑性變形性能也逐漸改善，使得刀具和工件之間的摩擦力降低，最后導致刀具的磨損量降低。但是，溫度過高會導致刀具中的鎢、鈦、鈷等元素流失，使得刀具的強度減小，反過來導致刀具的磨損程度增加。在實際生產過程中綜合考慮加工效率和刀具壽命，應該選用v=75m/min，f=0.1mm，ap=0.4mm。

3結語

本文基于DEFORM軟件設計了正交試驗對Inconel 718合金的切削過程進行了仿真分析，研究了硬質合金刀具切削Inconel 718合金時切削三要素與刀具磨損間的規律，發現進給量對刀具磨損影響最大，其次是切削深度，并綜合考慮加工效率和刀具壽命，推薦選用切削參數為：v=75m/min，f=0.1mm，ap=0.4mm。

參考文獻：

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王賢才，張亞普，柴蓉霞.27SiMn鋼表面激光熔覆304不銹鋼的組織和性能[J]. 金屬熱處理， 2020，45（4）：188-193.

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張好強，張傲，吳昱鑫， 等.鎳基合金微鉆削加工現狀與分析[J].制造技術與機床，2022（11）：71-77.

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康裕華.基于DEFORM-3D的高溫合金Inconel718的加熱切削仿真研究[D].成都：西華大學，2018.

Tool Wear Simulation Study of Inconel 718 Alloy Turning Based on DEFORM

YANG Zhen-yanga，b， GONG Wen-banga，b， LINGYuan-zhenga， ZHOUZhong-dinga

（a.College of Mechanical Engineering and Automation; b.Hubei Provincial Key Laboratory of Digital Textile Equipment，

Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract：In order to study the influence of cutting parameters on the tool wear of Inconel 718 alloy， which is difficult to be machined， orthogonal cutting simulation experiments were carried out on Inconel 718 alloy based on DEFORM software. The research results provide theoretical support for turning Inconel 718 alloy parts.

Keywords：simulation analysis; Inconel 718 alloy; Orthogonal test; Tool wear

（責任編輯：周莉）

*通訊作者：龔文邦（1965-），男，教授，研究方向：金屬材料成形過程控制及工藝.