TC4鈦合金鉆削力和鉆削溫度仿真研究

田衛(wèi)軍，李郁，何扣芳

(1.西北工業(yè)大學現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，陜西西安710072;2.西北工業(yè)大學明德學院，陜西西安710124)

0 前言

鈦合金材料以其良好的力學性能、抗腐蝕性能和抗高溫氧化性能等特點廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，但鈦合金屬于難加工材料，在加工過程中，具有彈性變形大、切削溫度高、單位面積上切削力大等特點［1－2］。由于切削時鈦屑和被切削表層易與刀具材料咬合，會產(chǎn)生嚴重的黏刀現(xiàn)象，容易引起刀具劇烈的黏接磨損。對鉆削參數(shù)合理的選擇，有助于提高刀具壽命。近年來國內(nèi)外學者對TC4 鈦合金的鉆削進行了深入的研究。K SAKURAI 等［3－5］分別采用無涂層WC/Co 和TiAIN 涂層硬質(zhì)合金鉆頭對TC4 進行了鉆削研究;S SHARIFA 等［6］研究了TC4 的鉆削參數(shù)對鉆削力的影響。

文中以航空用TC4 鈦合金為研究對象，采用有限元仿真的方法，開展鉆削參數(shù)對TC4 鉆削力和鉆削溫度影響的研究，建立了TC4 的三維鉆削加工有限元模型;獲得了不同參數(shù)下的銑削力和溫度以及刀具上的溫度場分布。該研究結(jié)果對提高鈦合金的可鉆削性具有一定的參考意義。

1 TC4 鈦合金高速銑削過程仿真

1.1 工件材料

工件材料TC4 鈦合金。TC4 鈦合金化學成分組成如表1所示。其在室溫/高溫下的力學性能如表2所示。

表1 TC4 鈦合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

表2 TC4 鈦合金的力學性能［1］

1.2 仿真模型及加工條件

作者運用AdvantEdge FEM 有限元仿真軟件進行鈦合金鉆削力和溫度的仿真。刀具選擇高速鋼刀具，冷卻條件為干切削，初始溫度20 ℃。TC4 鈦合金鉆削力和鉆削溫度仿真模型如圖1所示。

為了得到切削參數(shù)(鉆頭直徑d、主軸轉(zhuǎn)速n、進給量f)對鉆削力和溫度的影響規(guī)律，文中采用單因素方案進行仿真，各因素的設(shè)定又分3 水平，具體仿真參數(shù)及仿真結(jié)果如表3所示。

圖1 鉆削有限元模型

表3 TC4 鈦合金鉆削仿真參數(shù)及仿真結(jié)果

2 仿真結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

圖2 為第9 組參數(shù)下為不同時刻工件和刀具上的溫度場分布，從圖中可以看出，由于切削時切削熱大部分被切屑帶走，切屑溫度明顯高于工件和刀具的溫度。在切削的初期，刀具上溫度場主要分布在切削刃上，隨著切削的進行，熱量向刀具內(nèi)部擴散，溫度場范圍逐漸增大。

圖2 不同時刻工件和刀具上的溫度場分布(d=6.8 mm，n=1 350 r/min，f=0.6 mm/r)

2.2 鉆削參數(shù)對軸向力和溫度的影響

圖3 為鉆削參數(shù)對TC4 鈦合金鉆削軸向力和鉆削溫度的影響曲線圖。圖3(a)為主軸轉(zhuǎn)速對鉆削力和溫度的影響曲線，從圖中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，鉆削力和溫度都呈增大趨勢。當主軸轉(zhuǎn)速從535 r/min 增大到841 r/min 時，鉆削力急劇地從730 N 增加到980 N;當主軸轉(zhuǎn)速從841 r/min 增大到1 350 r/min 時，鉆削力增加的趨勢有所減緩，其變化范圍為［980 N，1 360 N］。在仿真參數(shù)范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，鉆削溫度呈線性增加，其變化范圍為［320 ℃，610 ℃］。

圖3(b)為進給量對軸向力和溫度的影響曲線，從圖中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，軸向力和溫度都呈增大趨勢。當進給量從0.056 mm/r 增大到0.224 mm/r 時，軸向力線性從218 N 增加到1 036 N。這是因為進給量增大，切削厚度增大，軸向力隨之增加。當進給量從0.056 mm/r 增大到0.112 mm/r 時，鉆削溫度線性從400 ℃增大到500 ℃;當進給量從0.112 mm/r 增大到0.224 mm/r 時，鉆削溫度增加趨勢減緩，其變化范圍為［500 ℃，610 ℃］。

圖3(c)為鉆頭直徑對軸向力和溫度的影響曲線，從圖中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，軸向力呈減小趨勢，鉆削溫度增大趨勢。當鉆頭直徑從2.5 mm 增加到7.0 mm 時，鉆削力變化范圍為［1 036 N，774 N］。當鉆頭直徑從2.5 mm 增加到4.5 mm 時，鉆削溫度從610 ℃緩慢增加到650 ℃;當鉆頭直徑從4.5 mm 增加到7.0 mm 時，鉆削溫度急劇增加，其變化范圍為［650 ℃，900 ℃］。

圖3 鉆削參數(shù)對軸向力和溫度的影響

3 結(jié)論

通過對TC4 鈦合金鉆削過程的有限元仿真與分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)鉆削過程中，切屑上的溫度最高，隨著切削的進行，熱量向刀具內(nèi)部擴散;

(2)鉆削力對進給量的變化最敏感，其次是主軸轉(zhuǎn)速，對鉆頭直徑的變化最不敏感。鉆削力隨著主軸轉(zhuǎn)速和進給量的增加而增大;隨著鉆頭直徑的增大而減小。

(3)鉆削溫度對鉆頭直徑的變化最敏感，其次是主軸轉(zhuǎn)速，對進給量的變化最不敏感。鉆削溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速、進給量和鉆頭直徑的的增加而增大。

［1］張春江.鈦合金切削加工技術(shù)EM3［M］.西安:西北工業(yè)大學出版社，1986:22－24.

［2］陳克越.鈦、鈦合金與鈦合金制品生產(chǎn)新技術(shù)新工藝流程及質(zhì)量檢驗新標準實用手冊［M］.銀川:寧夏大地音像出版社，2005:229－265.

［3］SAKURAI K，ADACHI K，OGAWA K，et al.Drilling of Ti-6Al-4V alloy［J］.Keikinzoku/J.Jpn.Inst.Light Met.，1992，42:389－394.

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