基于ABAQUS 下鈦合金切削仿真技術(shù)分析

賈祎杰

（沈陽理工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110159）

0 引言

本次切削仿真以TC4 鈦合金材料為例，這種鈦合金材料具有良好的機(jī)械性能和物理性能，但是鈦合金卻具有獨(dú)特的材料屬性，例如在該材料的切削過程中切削溫度和切削摩擦力非常復(fù)雜，同時鈦合金切削過程中也涉及到了切削力、切削溫度和切削應(yīng)力等許多的問題，導(dǎo)致了其在切削加工中被歸類于難加工材料，并且切削過程的溫度和摩擦條件非常復(fù)雜，切削過程是一個高度非線性的熱- 力耦合過程[1]。針對這難加工材料采用ABAQUS 進(jìn)行切削仿真分析研究。通過鈦合金切削仿真分析得出相應(yīng)的工藝優(yōu)化方案，為鈦合金加工工藝提供良好的加工方案。

ABAQUS/Explicit 求解器采用的有限元方法為顯示動力有限元方法，主要被應(yīng)用于沖擊和爆炸產(chǎn)生的短暫和瞬時的動態(tài)事件，對加工成形過程的這類高度非線性問題非常有效[2]。因此，本材料使用ABAQUS進(jìn)行有限元仿真實驗。祁志旭和陳興娟在鈦合金切削加工技術(shù)研究進(jìn)展中將鈦合金加工進(jìn)行相應(yīng)的歸類和總結(jié)[3]。宋緒浩在鈦合金切削加工表面質(zhì)量調(diào)控研究中提出了鈦合金切削表面質(zhì)量控制的具體方法[4]。

1 鈦合金切削有限元模型

切削有限元仿真模型分為切削材料的本構(gòu)模型和切削材料的損傷模型，其中采用Johnson-Cook 模型仿真對切削仿真中的切削材料的本構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)建與分析，切削材料的損傷模型采用Johnson-Cook失效準(zhǔn)則模型進(jìn)行損傷模型構(gòu)建[5-6]。切削模型中應(yīng)力和應(yīng)變是需要考慮的重點(diǎn)，在求解的過程中，應(yīng)變率和溫度之間的影響也是十分重要且需要著重考慮的。通過模型建立分析可得Johnson-Cook 模型切削材料的本構(gòu)模型公式如下：

切削仿真中切削材料的損傷按照J(rèn)ohnson-Cook失效準(zhǔn)則求解，其中失效準(zhǔn)則是一個完全依賴與塑性應(yīng)變的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?dāng)累計損傷系數(shù)ω 達(dá)到1 產(chǎn)生失效。

其中累計損傷系數(shù)可由方程求得：

式中：d1～d5為分離參數(shù)；σp為主應(yīng)力平均應(yīng)力；σe為Mises 應(yīng)力。

切削的過程中主要考慮切削材料的本構(gòu)模型和切削材料的損傷模型，通過兩大模型可以確定鈦合金切削的模型，按照模型進(jìn)行鈦合金切削仿真分析即可。

2 鈦合金切削仿真分析

鈦合金切削仿真中采用TC4 作為本次切削時工件的材料，該材料的密度為4.4 kg/m3，彈性模量為115 GPa，其中工件材料的具體材料參數(shù)如表1 所示。

表1 TC4 材料參數(shù)

鈦合金切削的過程中刀具采用立銑刀，其中在切削仿真的時候同時對工件和刀具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，工件網(wǎng)格劃分采用六面體，網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)為41 877，單元數(shù)量為36 800，刀具網(wǎng)格劃分采用四面體，網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)為3 214，單元數(shù)量為14 564。其中網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 刀具與工件網(wǎng)格劃分圖

鈦合金TC4 工件大小為40 mm×40 mm×5 mm，切削的過程中主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，進(jìn)給量為8 000 mm/s，背吃刀量為2 mm。切削求解主要分析切削仿真的等效應(yīng)力變化及切削溫度的變化。求解處理后得到切削最大應(yīng)力為2 818 MPa，最小等效應(yīng)力為1.451 MPa，仿真分析可得最大切削等效應(yīng)力為刀具與工件剛接觸的位置，刀具進(jìn)給切點(diǎn)的方向最大，其余從圓柱刀具兩端逐漸減少，其中切削等效應(yīng)力圖如圖2 所示，切削等效應(yīng)力變化曲線如圖3 所示。

圖2 切削等效應(yīng)力（MPa）變化

圖3 切削等效應(yīng)力變化曲線圖

鈦合金TC4 切削仿真中溫度的變化也關(guān)鍵，在上述切削三要素中切削溫度最大為955.4 ℃，最小切削溫度為29.95 ℃。其中溫度變化曲線從平穩(wěn)、急劇和平穩(wěn)三個階段變化，中間切削溫度產(chǎn)生跳躍式變化，切削的最后穩(wěn)定在一個平穩(wěn)的溫度節(jié)點(diǎn)，超越溫度節(jié)點(diǎn)后切削產(chǎn)生破壞失效。其中切削溫度變化圖如圖4 所示，切削溫度變化曲線圖如圖5 所示。

圖4 切削溫度（℃）變化

圖5 切削溫度變化曲線

3 鈦合金切削仿真的意義

鈦合金切削仿真的意義在于通過軟件看見鈦合金的切削狀態(tài)，根據(jù)改變切削三要素求解出不同狀態(tài)的切削模型，每一次改變切削三要素都可以得到相應(yīng)的力與溫度模型，通過仿真可以判斷出刀具的變形量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和背吃刀量的改變只有通過仿真能夠?qū)崿F(xiàn)，調(diào)整出最優(yōu)的參數(shù)應(yīng)用于指導(dǎo)實踐加工生產(chǎn)。所以使用有限元方法可以在加工設(shè)計以及對鈦合金產(chǎn)品進(jìn)行的生產(chǎn)之中使得計算分析變得更為簡便高效，同時也可以顯著降低切削實驗次數(shù)以及工作難度，以此來實現(xiàn)降低鈦合金切削的生產(chǎn)成本的目的。同時，使用有限元方法也可以對鈦合金切削刀具角度進(jìn)行針對性改善，同時對鈦合金刀具的設(shè)計及材料的選擇等方面也都具有良好的實踐意義。

4 結(jié)語

鈦合金TC4 切削仿真過程中首先建立材料去除模型，然后對工件和刀具進(jìn)行材料選擇及網(wǎng)格劃分，最后進(jìn)行切削等效應(yīng)力和切削溫度進(jìn)行求解，根據(jù)仿真求解的結(jié)果來看，切削過程中切入時與工件接觸的等效應(yīng)力較大，沿著切削點(diǎn)兩側(cè)逐漸減少，切削溫度的變化從切削接觸逐漸變大，切削過程達(dá)到一個程度后切削溫度又逐漸傾向于穩(wěn)定溫度。最后鈦合金單一參數(shù)的切削仿真可以為結(jié)合實際切削多因素仿真提供實踐指導(dǎo)，并總結(jié)鈦合金TC4 的切削仿真理論庫。