TC4 表面精整車(chē)削三維仿真與驗(yàn)證＊

豆衛(wèi)濤 史麗晨 康 凱 韓飛燕 盧竹青 王 哲

（①西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；②西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055；③西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710200；④西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

TC4 鈦合金由于其密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)被重點(diǎn)應(yīng)用于航空緊固件的制造[1]，航空緊固件只能使用鈦合金線材進(jìn)行加工制造，其對(duì)表面質(zhì)量的要求極高，表面質(zhì)量直接影響緊固件的疲勞強(qiáng)度和工作性能[2]，需要使用無(wú)心車(chē)床進(jìn)行精整加工，去除大型盤(pán)卷鈦合金線材表層材料并保證其表面質(zhì)量。

精整加工的常用方法有磨削、加工中心等，在加工鈦合金線材的過(guò)程中，由于鈦合金線材的長(zhǎng)度長(zhǎng)、難加工，因此選擇以車(chē)代磨，選擇使用無(wú)心車(chē)床進(jìn)行精整車(chē)削，對(duì)鈦合金線材進(jìn)行精整車(chē)削加工，它通過(guò)車(chē)削去除鈦合金線材薄層表面的同時(shí)，也可以去除鈦合金線材的表面缺陷、表面氧化皮，提高工件的制造精度和表面質(zhì)量[3-4]。大型盤(pán)卷鈦合金線材精整車(chē)削的過(guò)程復(fù)雜，試驗(yàn)困難，所以使用有限元仿真法可以準(zhǔn)確了解精整車(chē)削加工過(guò)程，對(duì)提升難加工材料的加工性能有重大意義[5]。

近年來(lái) ，許多學(xué)者通過(guò)建立車(chē)削有限元模型研究分析鈦合金材料的車(chē)削過(guò)程。馬偉等[6]使用有限元分析法建立二維切削仿真模型，對(duì)傳統(tǒng)切削過(guò)程中切削力、應(yīng)力及應(yīng)變等關(guān)鍵特征進(jìn)行對(duì)比分析研究。吳紅兵等[7]通過(guò)對(duì)鈦合金高速切削建模仿真，建立了二維有限元模型，證明了有限元仿真可以模擬真實(shí)切屑形態(tài)。王元生等[8]使用ABAQUS 軟件建立了二維車(chē)削模型，分析了切削過(guò)程的切削力、切削溫度、應(yīng)力應(yīng)變。 Lei Z 等[9]研究了鈦合金TC21直齒銑削加工切削機(jī)理，得到了切削速度、進(jìn)給速度、切削深度和前角等重要參數(shù)對(duì)切削力和切屑形態(tài)的影響。lynen O 等[10]利用ABAQUS 建立了一般車(chē)床的三維有限元仿真模型，通過(guò)有限元數(shù)值模擬模型的切削仿真，得到了切削力和切屑形態(tài)。 Lotfi M 等[11]建立了Ti6Al4V 的三維橢圓超聲輔助車(chē)削有限元模型，研究了橢圓振動(dòng)對(duì)表面完整性不同方面的影響。Bermudo Gamboa C 等[12]對(duì)Ti6Al4V 合金加工中有限元模擬的斷裂能量進(jìn)行了建模，對(duì)斷裂能量的損傷模型進(jìn)行建模。Pei L 等[13]利用ABAQUS研究了TC21 鈦合金車(chē)削過(guò)程，得到TC21 車(chē)削過(guò)程中的切削力、切屑形態(tài)和溫度分布。以上研究都證明了數(shù)值模擬在難加工材料車(chē)削過(guò)程的重要作用，但是對(duì)于精整加工的仿真研究少之又少。

綜上所述，本文以無(wú)心車(chē)床精整車(chē)削鈦合金線材過(guò)程為研究對(duì)象，使用有限元分析方法，在ABAQUS 中建立了三維車(chē)削仿真模型，研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度等重要參數(shù)對(duì)切削力、切屑形貌、殘余應(yīng)力的影響。對(duì)難加工材料的車(chē)削過(guò)程有了更深入的了解，對(duì)提高難加工材料的性能和質(zhì)量有著重要意義。

1 精整車(chē)削有限元的數(shù)值模擬

1.1 精整車(chē)削加工

精整車(chē)削加工是為了獲得高質(zhì)量表面、高精度材料以及無(wú)缺陷表面的。針對(duì)鈦合金線材、棒材的重要加工方法，鈦合金線材由于其長(zhǎng)度與應(yīng)用的特殊性，在鈦合金線材、棒材的加工領(lǐng)域需要使用無(wú)心車(chē)床，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（4 把刀具空心旋轉(zhuǎn)），加工長(zhǎng)度超百米的鈦合金線材，在加工過(guò)程中4 把刀可以減少刀具磨損、加強(qiáng)切屑脫落，從而可以散熱，減少熱量集中所帶來(lái)的切屑黏滯，且加工完成后可以達(dá)到直接投入生產(chǎn)使用的高加工表面質(zhì)量，在航空航天領(lǐng)域有著重要地位。

1.2 三維有限元模型

如圖1 所示，使用ABAQUS 軟件建立無(wú)心車(chē)床鈦合金線材三維精整車(chē)削模型。車(chē)削過(guò)程中工件和刀具相互作用會(huì)產(chǎn)生大量的力和熱，采用熱力耦合仿真。工件的網(wǎng)格類(lèi)型選擇線性減縮積分八節(jié)點(diǎn)六面體單元，此單元在大變形高應(yīng)變率的仿真過(guò)程中可以得到更加精確的結(jié)果，刀具設(shè)置為剛體。邊界條件為刀具添加轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，相對(duì)運(yùn)動(dòng)符合實(shí)際車(chē)削。車(chē)削模型如圖1 所示，其中進(jìn)給速度為v，主軸轉(zhuǎn)速為n。三維有限元模型計(jì)算網(wǎng)格多、時(shí)間長(zhǎng)，所以對(duì)工件的模型進(jìn)行空心簡(jiǎn)化處理，在表皮切削區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，在節(jié)省演算時(shí)間的同時(shí)可以得到較好的切屑形態(tài)。

圖1 精整車(chē)削原型與仿真模型

1.3 有限元模型材料參數(shù)

鈦合金車(chē)削模擬使用的是Johnson-Cook[JC]本構(gòu)方程，J-C 本構(gòu)方程在鈦合金切削中應(yīng)用最為廣泛，模型方程見(jiàn)式（1），由3 部分構(gòu)成，分別代表了材料的應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率強(qiáng)化以及熱軟化。此本構(gòu)方程適合在高應(yīng)變、大變形的金屬材料仿真分析中應(yīng)用，材料的模型參數(shù)見(jiàn)表1。J-C 本構(gòu)參數(shù)A、B、n、C、m取值見(jiàn)表2。

表1 TC4 材料屬性

表2 JC 本構(gòu)參數(shù)

式中： σ為等效應(yīng)力；A為準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度；B為應(yīng)變硬化參數(shù)；n為硬化指數(shù)； ε為等效塑性應(yīng)變；C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)；m為熱軟化參數(shù)； ε˙0為參考應(yīng)變率； ε˙為等效塑性應(yīng)變率；T為動(dòng)態(tài)溫度；Tr為常溫系數(shù)，取室溫值20 ℃；Tm為材料熔點(diǎn)。

1.4 切屑分離準(zhǔn)則

在有限元模擬仿真中，切屑的產(chǎn)生需要對(duì)工件模型施加斷裂準(zhǔn)則，才可以將切屑部分與工件發(fā)生分離。為了使切屑產(chǎn)生并且斷裂，在模型材料中添加了Johnso-Cook 斷裂準(zhǔn)則，此斷裂準(zhǔn)則廣泛應(yīng)用于大變形高應(yīng)變率的金屬材料切削中，當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變率達(dá)到臨界值時(shí)，開(kāi)始損傷演化，切屑從而產(chǎn)生，等效應(yīng)變率如下：

式中：D1～D5分別為損傷常數(shù)；p為靜壓力；q為Mises 應(yīng)力； ε˙0為參考應(yīng)變率； ε˙為等效塑性應(yīng)變率。其中D1～D5的取值見(jiàn)表3。

表3 JC 斷裂準(zhǔn)則參數(shù)

2 切削仿真結(jié)果

2.1 精整車(chē)削過(guò)程的有限元分析

鈦合金熱傳導(dǎo)率低，切削過(guò)程由于塑性變形會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而影響了力學(xué)性能。在鈦合金TC4 的車(chē)削過(guò)程中，塑性變形產(chǎn)生的熱量在短暫的時(shí)間內(nèi)無(wú)法迅速傳導(dǎo)，因此鈦合金車(chē)削過(guò)程可以看作一個(gè)絕熱剪切過(guò)程，三維有限元法建立的車(chē)削模型如圖2 所示。此模型中主軸轉(zhuǎn)速n為480 r/min，進(jìn)給速度v為1 m/min，切削深度ap為0.3 mm，刀具前角2°，后角5°，刀尖圓弧半徑為0.3 mm。圖2a所示為切削過(guò)程中的切屑隨刀具進(jìn)給的形成過(guò)程，并且展示了Mises 應(yīng)力云圖，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給，在前刀面的作用下，切屑形成并且發(fā)生卷曲。圖2b 所示為熱力耦合分析溫度云圖，在模擬中溫度隨著切削過(guò)程不斷變化，最高溫度為288 ℃，在切屑上尤為明顯。

圖2 n=480 r/min 、v=1 m/min 、ap=0.3 mm 仿真結(jié)果

2.2 工藝參數(shù)對(duì)切屑形態(tài)的影響

鈦合金切削過(guò)程中，切屑的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與切削過(guò)程中的工藝參數(shù)、材料性能相關(guān)。切屑在不同的切削參數(shù)下會(huì)形成不同的形態(tài)，而在無(wú)心車(chē)床的切削過(guò)程中，不同的切屑對(duì)切削過(guò)程也有影響，無(wú)心車(chē)床在切削過(guò)程中，需要及時(shí)斷屑來(lái)帶走切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。從車(chē)削模型中可以看出，大部分熱量都集中在切屑，進(jìn)給量是影響切屑形態(tài)的主要因素。

如圖3a 所示，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為480 r/min、切削深度為0.3 mm、進(jìn)給速度為0.5 m/min 時(shí)切屑易斷裂，生成的為C 形屑，并且由于進(jìn)給速度較小，C形屑長(zhǎng)度較短。圖3b 所示為進(jìn)給速度為0.8 m/min時(shí)，形成的C 形屑較長(zhǎng)，切屑隨切削過(guò)程發(fā)生了分離。圖3c 所示為進(jìn)給速度為1 m/min 時(shí)，切屑為帶狀切屑，隨著前刀面運(yùn)動(dòng)并且發(fā)生卷曲，不易斷屑。進(jìn)給速度越大，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量隨之增加，切屑與工件連接處面積增加，切屑不易斷裂，所以生成帶狀切屑。

圖3 進(jìn)給速度不同的切屑仿真結(jié)果

如圖4a 所示，切削深度為0.3 mm、工件進(jìn)給速度為1 m/min 時(shí)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，切屑的形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為480 r/min 時(shí)，切屑可以形成帶狀切屑，由于轉(zhuǎn)速慢，形成的切屑較長(zhǎng)且不易斷裂。圖4b 所示主軸轉(zhuǎn)速為640 r/min，C 形屑更容易形成，并且更加短小易斷裂，可以將熱量即時(shí)帶走，不影響切削過(guò)程。圖4c 所示主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，由于轉(zhuǎn)速過(guò)快。單位時(shí)間內(nèi)切削的材料并沒(méi)有發(fā)生變化，因此產(chǎn)生了較小的C 形屑，同時(shí)轉(zhuǎn)速增加，沖擊振動(dòng)增大，對(duì)精整加工產(chǎn)生較大的影響。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速不同的切屑仿真結(jié)果

如圖5 所示，刀具轉(zhuǎn)速為480 r/min，工件進(jìn)給速度為1 m/min，切削深度為0.1 mm、0.2 mm 時(shí)，切屑均為帶狀切屑且不易斷裂，在無(wú)心車(chē)床的精加工中切削深度對(duì)切屑的影響較小。

圖5 切削深度不同的切屑仿真結(jié)果

2.3 工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響

在無(wú)心車(chē)床切削中，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)去除量增加，切削力先增大，主軸轉(zhuǎn)速不斷增加，單位時(shí)間內(nèi)去除量不再增加，刀具與工件之間摩擦系數(shù)減小，切削力減小，并且溫度不斷提高，工件強(qiáng)度和硬度減小，所以切削力也不斷減小。切削力主要為切向力Ft、進(jìn)給力Ff、徑向力Fr，研究不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，切削力不同切削參數(shù)下的穩(wěn)定切削后的切削力平均值。不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響如圖6 所示。從圖6a 可以看出，切削力隨著進(jìn)給速度的增大而增大，隨著進(jìn)給速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)的工件去除量也隨之增加，切削力逐步增大。圖6b 表明切削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，主軸轉(zhuǎn)速增加，刀具與工件的摩擦系數(shù)減小，切削力也隨之減小，當(dāng)切削深度與進(jìn)給速度一致時(shí)，提高主軸轉(zhuǎn)速可以降低切削力。圖6c 說(shuō)明了切削力隨著切削深度的增大而增大，這是因?yàn)槿コ牟牧显黾恿耍枰那邢髁σ搽S之增加。

2.4 工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

鈦合金車(chē)削仿真模型中，可以提取到工件表層殘余應(yīng)力，同樣是在圓柱坐標(biāo)系下提取，如圖7a所示，當(dāng)切削深度為0.3 mm、進(jìn)給速度為1 m/min時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷增加，工件表層產(chǎn)生的均為殘余壓應(yīng)力，在主軸轉(zhuǎn)速分別為420 r/min、480 r/min、640 r/min、800 r/min 的情況下殘余壓應(yīng)力先略微減小然后增大。圖7b 所示為進(jìn)給速度分別為0.5 m/min、0.8 m/min、1 m/min、1.2 m/min 的情況下，工件表層產(chǎn)生的同樣為殘余壓應(yīng)力，隨著進(jìn)給速度的增大而減小。圖7c 所示為切削深度為0.1 mm 與0.2 mm 時(shí)，工件表層殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力，并且隨切削深度的增大而減小；切削深度為0.3 mm 與0.4 mm 時(shí)，工件表層殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，并且隨著切削深度的增加而減小。

圖7 不同工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 切削力

本文研究的材料是鈦合金 TC4，采用 XF-WXC無(wú)心車(chē)床設(shè)備進(jìn)行切削試驗(yàn)，如圖8 所示。切削力測(cè)試系統(tǒng)為 Kistler 三向測(cè)力儀及配套Dynoware 軟件。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)測(cè)量三向分力，然后合成總力，以對(duì)比分析。 測(cè)力儀安裝在前導(dǎo)向和刀盤(pán)中間，用夾具固定，工件與前導(dǎo)向直接連接。測(cè)試前進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定，減少誤差。給定條件下重復(fù)測(cè)量3 次，采樣頻率設(shè)置為1 024 Hz。每次采集后切削力的信號(hào)通過(guò)分段周期平均去噪，然后3 次測(cè)試力數(shù)據(jù)再進(jìn)行平均。無(wú)心車(chē)床采用4 把刀具高速旋轉(zhuǎn)、工件進(jìn)給的形式去除鈦合金棒材表面外表皮。刀具采用YG8 硬質(zhì)合金刀具，刀具前角2°，后角5°，刃傾角0°，主偏角90°。

圖8 無(wú)心車(chē)床切削試驗(yàn)

為研究不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，選擇穩(wěn)定切削過(guò)程的切削力合力平均值作為研究對(duì)象，如圖9 所示，為切削力合力的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。表4 中主軸轉(zhuǎn)速不同的情況下，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差小于10%；表5 中進(jìn)給速度不同的情況下，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差小于10%；表6 中切削深度不同的情況下，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差小于10%；仿真與試驗(yàn)的趨勢(shì)基本相同，試驗(yàn)中存在不同的干擾因素，都會(huì)引起振動(dòng)信號(hào)的誤差，所以實(shí)驗(yàn)與仿真趨勢(shì)相同即可驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。

表4 主軸轉(zhuǎn)速不同切削力預(yù)測(cè)誤差

表5 進(jìn)給速度不同切削力預(yù)測(cè)誤差

表6 切削深度不同切削力預(yù)測(cè)誤差

圖9 切削力仿真與試驗(yàn)對(duì)比

3.2 殘余應(yīng)力

在切削完成后，將鈦合金試件兩端截取部分，進(jìn)行殘余應(yīng)力的采集試驗(yàn)，殘余應(yīng)力測(cè)量在（XSTRESS-300）儀器下完成，測(cè)量?jī)x器如圖10所示，參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 射線測(cè)定條件參數(shù)

圖10 X 衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力

由于試件表面殘余應(yīng)力分布比較淺，故針對(duì)表面 0.1 mm 內(nèi)的殘余值進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，結(jié)合電解拋光和游標(biāo)卡尺的辦法來(lái)測(cè)量電解拋光深度，適用于沿層深方向分布的殘余應(yīng)力。本次僅測(cè)量沿深度方向的殘余應(yīng)力，為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性得到保證，將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都進(jìn)行3 次測(cè)量，取平均值，試驗(yàn)選用參數(shù)與仿真一致，將測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11 所示。

圖11 殘余應(yīng)力仿真與試驗(yàn)對(duì)比

由圖11 可知，仿真預(yù)測(cè)值趨勢(shì)與試驗(yàn)趨勢(shì)大致相同，試驗(yàn)與仿真總體趨勢(shì)是一樣的，仿真結(jié)果略低于實(shí)際測(cè)量結(jié)果，試件任何加工工藝之間都將影響工件表面的殘余應(yīng)力的精確性，雖然數(shù)值存在誤差，但殘余應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果大致相同，較好地驗(yàn)證了仿真。

在主軸轉(zhuǎn)速為400～800 r/min 時(shí)產(chǎn)生的均為殘余壓應(yīng)力，在800 r/min 時(shí)殘余壓應(yīng)力明顯增加，所以轉(zhuǎn)速在選擇400～600 r/min 時(shí)切削過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力有利于工件生產(chǎn)，在進(jìn)給速度為0.5～0.8 m/min 時(shí)，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力較1.0～1.2 m/min時(shí)更大，在切削深度為0.1～0.2 mm 時(shí)，產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，對(duì)切削過(guò)程影響較大，而在切深為0.3～0.4 mm 時(shí)，工件表面產(chǎn)生的是殘余壓應(yīng)力，有利于切削過(guò)程。

3.3 切屑形態(tài)

基于所建立的車(chē)削仿真模型所生成的切屑形貌，切屑形態(tài)有助于了解切削過(guò)程，三維車(chē)削仿真可以更好地貼近試驗(yàn)條件，可以得到更完整的切屑形貌，如圖12 所示，刀具轉(zhuǎn)速為480 r/min、切削深度為0.3 mm，當(dāng)進(jìn)給速度為0.5 m/min 時(shí)，切屑首先呈較長(zhǎng)的C 形屑，然后隨著切削的進(jìn)行逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楸浪榍行迹谕r的試驗(yàn)條件下，收集到的切屑部分為C 形屑，部分為崩碎切屑，與仿真中的切屑形態(tài)一致；隨著進(jìn)給速度的不斷增加，進(jìn)給速度在到達(dá)0.8 m/min 時(shí)，仿真得到的切屑均為微微彎曲且各個(gè)分離的C 形屑，此時(shí)切屑形態(tài)有利于排屑，并且可以帶走大量的切削熱，而在車(chē)削試驗(yàn)收集到的切屑明顯可以看出大小一致且為字母C 的形狀；在進(jìn)給速度在到達(dá)1 m/min 時(shí)，由仿真試驗(yàn)可以看出，切屑不易斷裂且連續(xù)成為帶狀，帶狀切屑狹長(zhǎng)且鋒利，需要及時(shí)處理，否則會(huì)對(duì)刀具和工件表面產(chǎn)生損傷，在此工況收集的切屑在巨大的應(yīng)力下卷曲為一個(gè)整體，體形相較于C 形屑明顯增大，工件與刀具發(fā)生擠壓與摩擦過(guò)程中的高彈性使得材料剪切強(qiáng)度高于其剪切應(yīng)力，所以生成了帶狀切屑。隨著進(jìn)給速度的不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料不斷增加，材料易粘連不易斷裂，所以在加工過(guò)程中，進(jìn)給速度保持在0.5～0.8 m/min 可以保證C 形屑的產(chǎn)生。

圖12 進(jìn)給速度不同的切屑仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖13 所示為進(jìn)給速度為1 m/min、切削深度為0.3 mm 時(shí)，不同主軸轉(zhuǎn)速下的切屑形態(tài)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為480 r/min，為帶狀切屑，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為640 r/min時(shí)，生成了較好的C 形屑，在此時(shí)收集的試驗(yàn)切屑保持完整的C 形，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)，由仿真可以看出切屑呈崩碎狀態(tài)，細(xì)小并且不規(guī)則，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)床系統(tǒng)也在發(fā)生劇烈振動(dòng)，收集的切屑也表現(xiàn)出不規(guī)則的崩碎狀。由于轉(zhuǎn)速過(guò)快，單位時(shí)間內(nèi)切削的材料并沒(méi)有發(fā)生變化，因此產(chǎn)生了較小的C 形屑，同時(shí)轉(zhuǎn)速增加，沖擊振動(dòng)增大，對(duì)精整加工產(chǎn)生較大的影響。

圖13 主軸轉(zhuǎn)速不同的切屑仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖14 所示為進(jìn)給速度為1 m/min、主軸轉(zhuǎn)速為480 r/min 時(shí)，切削深度不同時(shí)切屑的形態(tài)，均為卷曲狀的帶狀切屑，產(chǎn)生的帶狀切屑，易纏繞工件和刀具，且這類(lèi)切屑斷屑比較困難，應(yīng)避免出現(xiàn)，同時(shí)說(shuō)明了精密車(chē)削的過(guò)程中，切削深度對(duì)切屑形貌的影響不大。

圖14 切削深度不同的切屑仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于ABAQUS 建立了鈦合金三維有限元精整車(chē)削模型，進(jìn)行了車(chē)削仿真試驗(yàn)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)切屑形貌、切削力、殘余應(yīng)力的影響，為鈦合金的切削加工提供了理論依據(jù)，并且得到了以下結(jié)論。

（1）建立了無(wú)心車(chē)床的三維精整車(chē)削有限元模型，對(duì)仿真得到的不同工藝參數(shù)下的切屑形貌、切削力、切削溫度、殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析討論，結(jié)果表明本文所建立模型仿真結(jié)果準(zhǔn)確，能夠?qū)堄鄳?yīng)力、切削力等進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

（2）根據(jù)所建立模型，使用三因素四水平試仿真試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同工藝參數(shù)下的切屑形貌。結(jié)果表明，加工過(guò)程中，進(jìn)給速度與切削深度一致的情況下，主軸轉(zhuǎn)速越大，切屑越易生成C 形斷屑。而在主軸轉(zhuǎn)速與切削深度一致的情況下，進(jìn)給速度為0.5 m/min 時(shí)切屑易生成C 形屑，隨著進(jìn)給速度的增加，切屑易生成帶狀屑。而切削深度則對(duì)切屑形貌影響較小。

（3）工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響分析如下：進(jìn)給力Ff隨著進(jìn)給速度的增大而增大，切向力Ft與徑向力Fr隨進(jìn)給速度先增大后減小。切削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，當(dāng)切深與進(jìn)給速度一致時(shí)，提高切削速度可以降低切削力。切削力隨著切削深度的增大而增大。

（4）工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響分析如下：切削深度為0.3 mm、進(jìn)給速度為1 m/min 時(shí)，殘余應(yīng)力隨主軸轉(zhuǎn)速先增大后減小；主軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、切削深度為0.3 mm 時(shí)，殘余壓應(yīng)力隨進(jìn)給速度的增加而減小；主軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、進(jìn)給速度為1 m/min 時(shí)，當(dāng)切削深度為0.1 mm 與0.2 mm時(shí)，工件表層殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力，并且隨切削深度的增大而增大，當(dāng)切削深度為0.3 mm 與0.4 mm時(shí)，工件表層殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，并且隨著切削深度的增加而減小。