胡木林

(合肥職業(yè)技術(shù)學院 汽車應(yīng)用技術(shù)系,合肥 238000)

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切削用量對車削TC4鈦合金切削力的影響研究

胡木林

(合肥職業(yè)技術(shù)學院 汽車應(yīng)用技術(shù)系,合肥 238000)

TC4鈦合金在切削加工時，切削用量的選擇直接影響著切削力的大小、刀具的磨損程度、切削溫度的變化等一系列問題，不合理的切削用量會導致切削力和加工成本增大，加工質(zhì)量降低。因此，系統(tǒng)研究鈦合金材料切削時切削用量對切削力的影響規(guī)律，進而優(yōu)化選擇切削用量對于提高加工效率、控制加工質(zhì)量具有重要意義。借助于Deform-3D軟件仿真分析了切削用量對切削力的影響規(guī)律，在切削用量的三個參數(shù)中，切削速度對切削力的影響最小，背吃刀量和進給量對切削力的影響較大，綜合考慮加工效率和加工質(zhì)量，車削TC4鈦合金時應(yīng)選擇相對較高的切削速度、較低進給量和較小背吃刀量。

鈦合金；切削用量；切削力

鈦合金因具有比強度高(強度/密度)、熱強度高(500℃強度基本不變)、抗腐蝕性好、耐低溫性好(-253℃塑性不變)等一系列優(yōu)異的性能，被廣泛用于航空、海洋、軍工、醫(yī)療領(lǐng)域。[1]但也由于其導熱系數(shù)小(約為7.6W/(m.K))、彈性模量小(約為鋼的1/2)、化學活性大(粘著反應(yīng))等一系列特點使切削加工性變差，成為一種公認的難加工材料。不合理的切削用量會導致切削力和切削溫度的增大，進一步影響刀具的使用壽命，降低加工效率和加工質(zhì)量。因此，TC4鈦合金在切削加工時，切削用量的合理選擇已成為鈦合金加工領(lǐng)域研究的熱點問題。在國內(nèi)，王珉深入系統(tǒng)的研究了鈦合金銑削時刀具磨損機理，得出在低速銑削時鈦合金主要為粘結(jié)磨損，在高速銑削主要為擴散磨損的研究結(jié)論。[2]滿忠雷等研究了基于綠色切削理念高速銑削鈦合金的單因素試驗，得出了軸向與徑向切削深度、每齒進給量和銑削深度對銑削力的影響規(guī)律。[3]姜增輝等研究了切削用量對車削Ti6Al4V切削力的影響，認為進給量對背向力的影響最大，切削深度對進給力的影響最大。[4]陳明等研究了在高速銑削與常規(guī)銑削時Ti6A14V材料的表面完整性，得出了高速銑削是提高生產(chǎn)效率與改善表面質(zhì)量的有效途徑。[5]在國外，也開展了鈦合金的高速銑削加工振動等問題的試驗研究。德國 Carl Salomon博士認為，在高速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度的增加，切削力逐漸降低。[6]Narutaki則認為加工鈦合金材料時，切削速度在20 m/min～200 m/min的范圍內(nèi)，隨著切削速度的增大切削力幾乎不發(fā)生變化。[7]綜觀這些研究表明，大多數(shù)為銑削鈦合金時加工表面、刀具磨損及受力狀況的研究，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)不斷發(fā)展，鈦合金的使用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。因此，系統(tǒng)的研究并分析車削TC4鈦合金時，切削用量對切削力影響規(guī)律具有重要的實際意義。由于鈦合金材料價格昂貴，采用實際車床加工實驗研究成本較大，且通過實際車床加工測量切削力難度很大，很難獲得精確數(shù)值。在機械工程領(lǐng)域，有限元仿真軟件是一種極為常用的工程分析手段，能夠解決常規(guī)實驗難以分析獲得的物理規(guī)律。在分析金屬成形工藝過程和熱處理工藝過程的軟件中，Deform-3D仿真軟件是一套機械加工模擬軟件，常用于模擬車、銑、刨等切削加工過程，獲取刀具的受力、刀具的磨損等通過常規(guī)實驗手段不易獲得的切削加工信息。[8]為進一步明確切削用量對車削TC4鈦合金切削力影響，為車削TC4鈦合金的參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。本文將基于Deform-3D軟件，對車削TC4鈦合金時切削用量對切削力的影響進行仿真研究，系統(tǒng)分析切削用量對切削力的影響規(guī)律。為TC4鈦合金車削加工時，切削用量的選擇提供參考依據(jù)。

1 仿真實驗?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 材料模型 常見的熱—粘塑性材料模型主要有Follansbee—Kocks、Bodner—Paton、Johnson—Cook、Zerrilli—Armstrong等四種模型。其中，F(xiàn)ollansbee—Kocks是以機械臨界應(yīng)力作為內(nèi)部變量，而且參數(shù)多，結(jié)構(gòu)方程復(fù)雜；Bodner—Paton模型也引入了多個材料參數(shù)，且將本構(gòu)模型應(yīng)變張量分為彈性和塑性兩個部分，應(yīng)用起來比較困難；Johnson—Cook和Zerrilli—Armstrong模型雖引入了材料的應(yīng)變強化及熱軟化參數(shù)，但結(jié)構(gòu)簡單，且Johnson—Cook適用于各種晶體結(jié)構(gòu)，Zerrilli—Armstrong模型只適用于體心立方和面心立方金屬，對于不同晶體結(jié)構(gòu)采用不同的表達式；因此，綜合考慮在Deform軟件的切削加工中最常用的流動應(yīng)力模型選用Johnson—Cook模型，其本構(gòu)方程式[9]為：

(1)

TC4的Johnson—Cook材料模型中的5個材料特性常數(shù)如表1所示。[10]

1．2 摩擦模型

金屬在切削過程中產(chǎn)生的高應(yīng)力、高應(yīng)變率和高溫等現(xiàn)象，使得刀具與切屑之間的摩擦變得復(fù)雜。[11]其中，在前刀面接近刀尖處的產(chǎn)生的摩擦是粘著摩擦；在遠離刀尖處，刀具與切屑之間的摩擦是滑動摩擦。在滑動摩擦區(qū)，摩擦剪切應(yīng)力τc適用于庫侖摩擦定律(公式2)；在粘著摩擦區(qū)，摩擦剪切應(yīng)力τc就等于工件材料的剪切屈服強度τs(公式3)。

τc=μσn,

(2)

τc(x)=τs:μσn(x)≥τ,0

τc(x)=μσn(x)<τ,lc

(3)

式中：τc——摩擦剪切應(yīng)力；σn——正應(yīng)力；μ——摩擦系數(shù)；τs——屈服強度。

在模擬鈦合金的正交切削時，通常采用修正的庫侖摩擦定律模型(公式4)。

τc=min[μσn,τs]。

(4)

1.3 Deform 3D軟件預(yù)處理

參數(shù)設(shè)置

加工類型單位標準環(huán)境溫度冷卻物熱傳導率摩擦系數(shù)熱傳導系數(shù)車削SI20℃0.02N/s·mm·℃0.60.4N/s·mm·℃

刀具設(shè)定

刀具類型法向后角刀尖半徑材料網(wǎng)格數(shù)550菱形000.2mmCo-WC類YG硬質(zhì)合金35000

工件設(shè)定

加工材料切削模式毛坯直徑網(wǎng)格數(shù)Ti6Al4V外圓Φ50mm60000

模擬條件

存儲增量計算步數(shù)切削終止角度刀具磨損系數(shù)刀具磨損系數(shù)25步1000步20°a=0.000001b=850

2 仿真實驗結(jié)果與分析

2.1 車削TC4鈦合金時切削速度νc對切削力影響分析

設(shè)定背吃刀量ap=0.8mm、進給量f=0.3mm/r，改變切削速度仿真切削模擬，提取切削速度νc為60m/min、100m/min、140m/min、180m/min、200m/min、220m/min、240m/min、260m/min時主切削力Fy、進給力Fx、吃刀抗力Fz的數(shù)值(如圖1，νc=100m/min時部分數(shù)值)。模擬加工后，計算在300步數(shù)內(nèi)的不同切削速度時Fy、Fx、Fz的平均值，畫出以切削速度νc為自變量，F(xiàn)x、Fy、Fz各個切削分力平均值為函數(shù)的變化曲線圖(如圖2)。

圖1 vc=100m/min Fx、Fy、Fz部分模擬數(shù)據(jù)

圖2 切削速度對切削力的影響

從圖2可知，車削TC4鈦合金時，隨著切削速度νc的不斷變化，主切削力Fy也隨之發(fā)生變化。當切削速度νc達到60m/min時主切削力Fy達到最大；當切削速度νc達到100m/min時，主切削力Fy減到最??；當切削速度νc大于100m/min以上時，F(xiàn)x、Fy、Fz均在一定范圍內(nèi)波動，此時隨著vc的增大對切削力的影響較小，總體趨于穩(wěn)定。根據(jù)切削理論，在高速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度νc的上升，剪切角φ增大，摩擦系數(shù)μ減小，變形系數(shù)ξ減小，剪切力下降，因而切削力減?。坏诟咚偾邢鲿r隨著切削速度νc的不斷增加，切屑力慣性力Fm會逐漸增大，此消彼長，總體導致切削力的數(shù)值基本穩(wěn)定。在低速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度νc的不斷增加，切削溫度上升、刀具磨損加劇、加工硬化嚴重，切削力逐漸上升，切削力波動較大。[12]

2.2 車削TC4鈦合金時背吃刀量αp對切削力的影響分析

設(shè)定切削速度vc=100m/min、進給量f=0.3mm/r的實驗條件，分別設(shè)定背吃刀量αp為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.5mm、1.8mm、2.2mm和2.5mm進行仿真切削。整理記錄Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(如表2)。并繪制出車削TC4鈦合金時不同背吃刀量αp下Fx、Fy、Fz和總切削力F變化曲線(如圖3)。

表2 不同αp下Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(vc=100m/min f=0.3mm/r )

(a) ap對Fx、Fy、Fz的影響

b) ap對切削合力F的影響

圖3vc=100m/minf=0.3mm/r時ap對切削力的影響

從圖可知，車削TC4鈦合金時，隨著背吃刀量αp的增大，F(xiàn)x、Fy、Fz均逐漸增大，其中對Fy影響最為突出，近似呈正比例關(guān)系，在αp—Fy曲線中，隨著背吃刀量αp的增大，切削溫度的逐漸上升，材料的軟化導致曲線的斜率出現(xiàn)由大變小的趨勢。當ap取在0.2mm-0.8mm之間時，隨著αp的增大，F(xiàn)x緩慢逐漸增大，當ap>0.8mm時，由于切屑太厚或者刀具磨損加劇等原因使Fx出現(xiàn)突然快速增大；在整個切削加工過程中Fz隨αp的增大也呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。在切削TC4鈦合金的過程中，隨著背吃刀量αp的不斷增大，F(xiàn)x、Fy、Fz均出現(xiàn)增大，因此總切削力也隨著αp的增大而增大。

2.3 車削TC4鈦合金時進給量f對切削力的影響分析

保持切削速度vc=100m/ min、背吃刀量ap=0.8mm不變的情況下，分別選取進給量f為0.1mm/r、0.3mm/r、0.5mm/r、0.7mm/r、1.0mm/r時進行切削仿真，整理記錄Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(如表2)。并繪制出車削TC4鈦合金時不同進給量f下Fx、Fy、Fz和總切削力F變化曲線(如圖4)。

表3 不同f下Fx、Fy、Fz和總切削力F的數(shù)值(vc=100m/min ap =0.8mm )

(a)f對Fx、Fy、Fz的影響

(b)f對切削合力F的影響

圖4 vc=100m/min ap=0.8mm時f對切削力的影響

從圖可知，車削TC4鈦合金時,當其他切削條件不變時，隨著進給量f的增加，F(xiàn)x、Fy、Fz均在增加，總切削力F與進給量f近似呈線性關(guān)系。根據(jù)金屬切削原理，切削面積與進給量成正比關(guān)系，隨著進給量f的增加，切削面積逐漸增大，切屑變形抗力、摩擦抗力均隨著切削面積的增加而增大，進一步引起主切削力Fy、吃刀抗力Fz、進給力Fx增加，最終導致總切削力增大。[13]

3 結(jié) 論

借助Deform-3D軟件，對鈦合金TC4進行了車削加工研究，通過仿真數(shù)據(jù)分析了車削鈦合金TC4時切削用量的對切削力的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)車削TC4鈦合金時，隨著切削速度νc的增加，主切削力Fy不斷變化。在低速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度νc的不斷增加，切削力逐漸上升，波動較大。在高速切削時剪切力Fs與慣性力Fm綜合矛盾作用，切削力總體穩(wěn)定并略有下降趨勢。

(2)車削TC4鈦合金時，切削力F與背吃刀量αp成正比。當其他切削條件一定時，隨著背吃刀量αp的增大，切削力呈線性關(guān)系增大。

(3)車削TC4鈦合金時，切削力F與進給量f成正比，當其他切削條件一定時，隨著進給量f的增大，切削力逐漸增大。

(4)充分考慮生產(chǎn)效率、切削力、切削溫度等加工因素，在車削TC4鈦合金時宜采用較高的切削速度[14]vc、較低進給量f和較小背吃刀量ap。

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[責任編輯:李 軍]

Analysis on Effects of Cutting Parameters upon Cutting Force in TC4 Titanium Alloy Turnery

HU Mu-lin

(Department of Automotive Application Technology,Hefei Hefei Vocational and Technical College,Hefei 238000,China)

In the process of TC4 titanium alloy cutting, the choice of cutting parameters directly affects a series of issues, like the cutting force, tool wear level and the changes of cutting temperature. The unreasonable cutting parameters may lead to the increase of cutting force and the processing cost, and the decrease of processing quality. Therefore, the systematic research on the affecting regularity of cutting parameters on cutting force during the cutting of titanium alloy materials and then the optimized choice of cutting parameters will be of great significance for improving processing efficiency and controlling processing quality.With the help of Deform-3D simulation software, the paper analyzes the affecting regularity of cutting parameters on cutting force. Among the three cutting parameters, the cutting speed takes a minimum effect, while the back engagement of cutting edge and load take the maximum. Considering the processing efficiency and quality, TC4 titanium alloy turnery should choose a relatively high cutting speed, less feed amount and less back engagement of cutting edge.

titanium alloy; cutting parameter; cutting force

2016-02-26

2016-06-09

安徽省高職高專模具設(shè)計與制造專業(yè)綜合改革試點項目(2013zy161)階段性成果。

胡木林(1982—)，男，安徽舒城人，合肥職業(yè)技術(shù)學院汽車應(yīng)用技術(shù)系講師，碩士；研究方向：機械CAD/CAM。

TH 164

A

2096-2371(2016)04-0110-05