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1.金屬材料切削模擬基礎(chǔ)

通過運(yùn)用有限元分析、借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)等可以用較低的成本揭示切削加工過程，且在較短的時(shí)間內(nèi)能獲得較為豐富的各種數(shù)據(jù)，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有極大的幫助。有限元仿真的結(jié)果與實(shí)際情況還是有一定差異的，其一是軟件編制時(shí)的數(shù)學(xué)模型忽略了一些次要因素；二是仿真時(shí)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與使用軟件者的知識(shí)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，若設(shè)置參數(shù)偏離較多必然使得仿真結(jié)果有一定的差異。因此，目前來說，將有限的試驗(yàn)與較多的有限元仿真相結(jié)合，是一種切實(shí)可行的研究方法。

傳統(tǒng)的基于試驗(yàn)的研究方法有較多的難度，而有限元法則在某種程度上可以克服以上一些缺點(diǎn)，因此逐漸引起研究者的關(guān)注。有限元計(jì)算機(jī)輔助仿真技術(shù)對(duì)切削加工過程的研究主要集中于兩個(gè)方面，一是相關(guān)仿真軟件的開發(fā)，其次是基于專用軟件進(jìn)行的切削加工過程的物理仿真。

本文基于有限元增量理論，建立了金屬切削過程的刀片及工件仿真模型，并利用Deform3d有限元分析軟件，對(duì)金屬切削過程中切削力、切削扭矩、工件溫度、刀具溫度、切屑應(yīng)力應(yīng)變和切屑形態(tài)等進(jìn)行有限元分析。由于刀具材料硬度比工件材料硬度高得多，因此在對(duì)切削過程建模時(shí)，將刀具視為剛體（在切削加工中不發(fā)生變形），工件視為柔體。工件材料力學(xué)及熱物理性能選擇庫中提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)，不同的刀片如APMT1604菱形刀片/RPMT 1204圓形刀片/WDMW080520三角鼓形刀片等結(jié)構(gòu)形式根據(jù)實(shí)物及刀具樣本參數(shù)進(jìn)行三維造型，網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)劃分方法對(duì)刀片及工件進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

2.金屬銑削模擬刀具結(jié)構(gòu)

切削過程的有限元仿真，其結(jié)果較為豐富，包括應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、金屬流動(dòng)及流動(dòng)速度、刀具表面的法向壓力、切削區(qū)域的溫度場分布，切削力圖表、刀具磨損，并且可以像傳統(tǒng)的側(cè)面變形觀察法一樣模擬出金屬流動(dòng)規(guī)律。

另外，利用這些結(jié)果圖示，還能測(cè)出相關(guān)切削變形描述參數(shù)，如剪切角和切削厚度變形系數(shù)等。分析結(jié)果可以用云圖、等高線圖和動(dòng)畫等形式表示，并可以隨時(shí)重現(xiàn)，動(dòng)畫過程可以單步或連續(xù)演示；所有這些可視化的結(jié)果、切削變形過程的描述較傳統(tǒng)試驗(yàn)法有了極大的提高。圖1為針對(duì)不同材料TC4鈦合金、0Cr18Ni9Ti不銹鋼、H13高強(qiáng)度鋼銑削模擬時(shí)所用的刀具。下面將重點(diǎn)描述不同結(jié)構(gòu)形式刀片銑削不同難加工材料的模擬結(jié)果。

圖1 切削模擬所用刀具實(shí)物

3.鈦合金銑削切削模擬

（1）不同刀片銑削模擬對(duì)比（見表1）。TC4鈦合金強(qiáng)度高、沖擊韌性大，硬度稍低于鎳基高溫合金Inconel 718（GH4169）。鈦合金彈性模量為110GPa，屈服強(qiáng)度接近800MPa、抗拉強(qiáng)度接近880MPa，屈強(qiáng)比高接近0.9，是所有金屬中屈強(qiáng)比最高的，其加工硬化非常嚴(yán)重，故在切削加工時(shí)出現(xiàn)溫度高、刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。日本學(xué)者T.Kitagawa等經(jīng)過大量試驗(yàn)得出，用直徑10mm的硬質(zhì)合金K10兩刃螺旋銑刀（螺旋角為30°）高速銑削鈦合金，可達(dá)到滿意的刀具壽命，切削速度可高達(dá)628m/min，每齒進(jìn)給量可取0.06～0.12mm/z，連續(xù)高速車削鈦合金的切削速度不宜超過200m/min。

針對(duì)TC4鈦合金材料，采用切削刀具直徑80mm的鑲齒數(shù)控面銑刀進(jìn)行面銑，采用的切削參數(shù)組合如下：切削線速度45m/min、切削深度2.5mm、進(jìn)給量0.3mm/r；切削模擬的邊界條件中換熱系數(shù)為45、剪切系數(shù)0.6、環(huán)境溫度20℃、冷卻耦合0.02。采用不同的鑲齒刀片進(jìn)行切削模擬的情況如圖2所示。

從切削溫度的角度考察，刀片選擇的優(yōu)先順序依次是五角形、六邊形、八角形、正方形45°安裝、菱形正裝、圓形、鼓形、菱形反裝和三角形；從切削力的角度考察，刀片選擇的優(yōu)先順序是五角行、三角形、正方形45°安裝、六邊形、八角形、菱形反裝、菱形正裝、圓形和鼓形；從切削扭矩角度考察，刀片選擇的優(yōu)先順序是：五角形、正方形45°安裝、六邊形、八角形、菱形反裝、三角形、圓形、菱形正裝和鼓形。

（2）鈦合金切削加工技巧。鈦合金很活潑，在高溫下幾乎與所有的C、N、O、Al、V等元素在高溫下均可以發(fā)生反應(yīng)。鈦合金切削刀具的選型原則是采取以強(qiáng)制強(qiáng)（高強(qiáng)高硬）、以鋒利制軟粘（鈦合金、不銹鋼、塑料）的策略。

鈦合金切削加工刀具應(yīng)用技巧：①刀具一定要有前角，一般5°～10°前角即可。②刀尖一定要磨成R1～R2（不大于R5），切忌不能用尖刀。③圓角形刀片R4（21R4、32R4、50R4），加工平面用50R4，側(cè)銑可用21R4。④用球頭刀采用高速的方式加工，線速度依據(jù)球頭刀的直徑和切削深度進(jìn)行計(jì)算，在直刀的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)速可提高很多。⑤采用上述刀具切削深度粗加工選擇2mm最合適，切削寬度設(shè)置刀具直徑的75%最合理。⑥如采用插銑也需要選用帶R的刀具（玉米銑刀、小飛刀、鉆銑刀均可攻克它），插銑深度不限制，插銑寬度要小于刀片的半徑。⑦其他切削參數(shù)可參照德國YEKL和瑞士納米刀具的切削參數(shù)，推薦的這些參數(shù)是實(shí)踐中的結(jié)果，相比德國YEKL的參數(shù)要保守很多。⑧切削鈦合金如單純?yōu)楣?jié)省刀具成本，采用高速剛刀具即可，大深度可采用高速剛刀具磨成帶R1的牛鼻刀進(jìn)行排鉆加工，效果很好。⑨切削速度和切削深度有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，對(duì)于不同的加工方式其原則不同，有的是深度越大越好，有的是寬度越大越好。

圖2 鈦合金TC4不同刀片銑削的切屑模擬

鈦合金大進(jìn)給/高速立銑加工時(shí)的結(jié)論如下：21R4效果優(yōu)于菱形75°安裝；大進(jìn)給刀優(yōu)于21R4牛鼻刀；球頭銑刀高速切削也是一種非常實(shí)用的工程策略；如加工中心具備中心內(nèi)冷功能時(shí)采用21R4、25R5、32R5、50R5、63R5的刀具進(jìn)行切削粗精加工是效率最高的選擇。而對(duì)于大余量的深腔加工，采用插銑的方法是效率最高的方案。工程中目前切削加工鈦合金常用的選型是配備圓形刀片或八角形刀片的盤銑刀銑大平面，配備三角鼓形刀片實(shí)現(xiàn)鈦合金的大進(jìn)給銑削，配置菱形刀片進(jìn)行深腔插銑，采用中心內(nèi)冷的牛鼻刀進(jìn)行寬行加工實(shí)現(xiàn)曲面的粗精加工。硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金加工參數(shù)推薦每齒進(jìn)給量0.08～0.10mm/z，線速度為45～90 m/min；選用球頭刀或者牛鼻刀時(shí)，線速度依據(jù)實(shí)際情況可調(diào)高為120～300m/min。

表1 鈦合金切削時(shí)的刀片性能分析