張 浩 李金泉

（沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

高速切削加工技術(shù)，因其切削速度更快，加工更高效，能極大提高加工效率，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的主流方向。鈦合金材料由于其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域[1]，然而由于鈦合金材料自身特性，導(dǎo)致其加工效率低，屬于難加工材料，高速切削鈦合金成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在鈦合金切削過(guò)程中，伴隨著高溫、高應(yīng)變、刀具磨損以及熱力耦合作用，導(dǎo)致表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，容易造成工件表面產(chǎn)生裂紋、疲勞破壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和工件性能[2-3]。

很多學(xué)者通過(guò)有限元仿真切削模擬對(duì)鈦合金進(jìn)行了研究，徐江毅等[4]基于JC 本構(gòu)模型、JMAK理論建立的車削仿真研究表層微觀組織發(fā)現(xiàn)，切削表層產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)變率，表層晶粒細(xì)化。馬浩騫等[5]利用ABAQUS 對(duì)TC4 材料進(jìn)行切削仿真模擬分析，得到刀具的前角對(duì)切削力影響顯著，當(dāng)前角為負(fù)前角時(shí)，切削力大幅度增加。為了得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，鄧云飛等[6]通過(guò)一系列力學(xué)性能測(cè)試，得到材料在不同條件下的力學(xué)性能參數(shù)，基于測(cè)量的結(jié)果，將本構(gòu)模型修正后模擬發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果更貼近于試驗(yàn)。

切削過(guò)后的工件表層容易疲勞破壞，切削表層溫度、殘余應(yīng)力和表層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞壽命至關(guān)重要，采取合理的加工參數(shù)，對(duì)提高加工質(zhì)量有重要意義。在高應(yīng)力水平下產(chǎn)生疲勞裂紋較低應(yīng)力水平增多，且存在大量的獨(dú)立裂紋，這些裂紋的產(chǎn)生與疲勞失效存在密切關(guān)系[7]。楊成云等[8]研究發(fā)現(xiàn)鈦合金切削后距離加工表面越遠(yuǎn)，應(yīng)力值由正值先變?yōu)樨?fù)值，殘余應(yīng)力會(huì)由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，距離表面0.15 mm之后，應(yīng)力慢慢恢復(fù)，其值接近于為0。Tan G 等[9]通過(guò)觀測(cè)銑削鈦合金過(guò)程溫度變化，發(fā)現(xiàn)在切削后12 s，溫度趨于穩(wěn)定。鐘鑫等[10]為研究切削加工后，鈦合金表層晶粒的變化，仿真模擬了鈦合金切削過(guò)程，發(fā)現(xiàn)切削層表層晶粒尺寸變小。

學(xué)者們對(duì)切削表層溫度、切削表層殘余應(yīng)力和切削表層材料晶粒變化等切削過(guò)程表層特性的相關(guān)研究還需要進(jìn)一步的完善。本文以鈦合金TC4 為研究對(duì)象，通過(guò)切削加工試驗(yàn)獲工件已加工表層金相組織，觀察與分析了表層晶粒隨進(jìn)給量變化規(guī)律。通過(guò)有限元仿真的方式獲得切削后工件表層的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，分析了切削表面溫度、切削表面應(yīng)力與進(jìn)給量的關(guān)系。將仿真試驗(yàn)與切削試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，探究了切削表面溫度與應(yīng)力對(duì)TC4 切削表層晶粒的影響，分析隨進(jìn)給量變化的表層晶粒變形機(jī)理。

1 切削加工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 車削試驗(yàn)

切削試驗(yàn)材料為TC4，其化學(xué)成分如表1 所示。采用普通車床CA6140 進(jìn)行切削，刀片使用山特維克公司的硬質(zhì)合金刀片，參數(shù)如表2 所示。

表1 TC4 材料化學(xué)成 (%)

表2 刀具幾何參數(shù)

試驗(yàn)在切削速度v=98.14 m/min，切削深度ap=0.20 mm 一定的條件下，選擇不同的進(jìn)給量車削，參數(shù)如表3 所示。為了避免切削加工過(guò)程中刀具磨損等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每改變一次切削參數(shù)更換一次新的刀片。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

1.2 金相試驗(yàn)

切削完成后，采用線切割方式，對(duì)應(yīng)不同進(jìn)給量，將工件沿軸向方向分割成小塊，尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，并進(jìn)行鑲嵌、研磨及侵蝕等處理，制備成金相試樣，制備過(guò)程如圖1 所示。之后，在金相顯微鏡下對(duì)表層金相組織進(jìn)行觀察，測(cè)量塑性變形層厚度，分析晶粒的變化情況。

圖1 金相制備過(guò)程

2 切削加工試驗(yàn)結(jié)果與討論

不同進(jìn)給量下表層微觀組織金相圖如圖2 所示，晶粒發(fā)生彎曲拉長(zhǎng)細(xì)化的部分為塑性變形層，由圖可以很明顯地看出，塑性變形層厚度隨進(jìn)給量增大而增大，越靠近表面，晶粒彎曲程度越大，伴隨著晶粒細(xì)化現(xiàn)象，排列緊密。當(dāng)進(jìn)給量f=0.10 mm/r和0.15 mm/r 時(shí)，塑性變形層厚度分別約10 μm 和12.5 μm，如圖2a、b，接近表面的晶粒略有細(xì)化，晶粒彎曲變形不明顯。當(dāng)進(jìn)給量為0.20 mm/r 時(shí)，塑性變形層厚度約17.5 μm，如圖2c，能夠看出晶粒出現(xiàn)較為明顯彎曲現(xiàn)象，存在晶粒細(xì)化。當(dāng)進(jìn)給量f=0.24 mm/r 時(shí)，塑性變形層厚度達(dá)到35 μm 左右，如圖2d，晶粒彎曲現(xiàn)象明顯，并且都朝向切削速度方向，越靠近表面晶粒被拉長(zhǎng)越厲害，出現(xiàn)纖維化，靠近表面處堆積在一起。由圖2 可以看出，變形層厚隨進(jìn)給量成增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且增長(zhǎng)速度逐漸增大，這說(shuō)明進(jìn)給量越大，表層塑性變形越明顯，影響區(qū)域也越來(lái)越深。

圖2 不同進(jìn)給量下表層微觀組織金相圖

表層金屬在切削過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)大的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。受切削熱影響，表層溫度會(huì)升高，材料出現(xiàn)熱軟化現(xiàn)象，容易發(fā)生塑性變形；受切削力影響，單位面積上的力隨進(jìn)給量增大，即表面受到的應(yīng)力會(huì)增大，內(nèi)部晶粒受到力作用產(chǎn)生抗力，容易出現(xiàn)錯(cuò)位和滑移。在熱-力耦合作用下，原子受熱活性增強(qiáng)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)晶粒遇到大的力，原子會(huì)沿應(yīng)力場(chǎng)梯度方向轉(zhuǎn)移到新的平衡態(tài)，產(chǎn)生熱塑性變形。

3 有限元仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 仿真模型建立

3.1.1 材料本構(gòu)模型

在切削過(guò)程中，工件被高強(qiáng)度擠壓摩擦，會(huì)有切削熱和應(yīng)力產(chǎn)生。為了探討切削溫度和應(yīng)力對(duì)表層的影響，通過(guò)有限元仿真，模擬切削過(guò)程，得到不同進(jìn)給量變化下表面溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律[11]。有限元仿真過(guò)程經(jīng)常用到材料本構(gòu)模型，其中最常見(jiàn)的有冪函數(shù)本構(gòu)方程、Zerilli-Armstrong 本構(gòu)方程、Bodner-Parton 本構(gòu)方程和Johnoson-Cook 本構(gòu)模型。本次仿真通過(guò)ABAQUS 有限元軟件完成，選用在材料應(yīng)變、溫度等方面具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性且能夠綜合反映變形熱力參數(shù)之間關(guān)系的Johnson-Cook 本構(gòu)模型，其表述形式為

式中：σ為材料流動(dòng)應(yīng)力；A為初始屈服應(yīng)力；B為硬化模量；C為應(yīng)變系數(shù)；ε為塑性應(yīng)變；為塑性應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率；T0為室溫；Tm為材料熔點(diǎn)；n為加工硬化指數(shù)；m為熱軟化系數(shù)。

試驗(yàn)材料的Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)如表4所示。

表4 TC4 的Johnson-Cook 模型參數(shù)

3.1.2 切屑分離準(zhǔn)則

仿真分析切削過(guò)程，為保證切屑與工件的分離，選擇ABAQUS/Explicit 動(dòng)態(tài)斷裂失效模型處理，選取Johnson-CooK 失效準(zhǔn)則，該模型適合連續(xù)的金屬切削，其模型可表示為

式中：εf為失效初始等效塑性應(yīng)變；d1～d5為失效準(zhǔn)則參數(shù)（如表5 所示）；p為壓應(yīng)力；q為應(yīng)力；ω為失效參數(shù)，當(dāng) ω值達(dá)到1 后，材料開(kāi)始失效，直到完全斷裂。

表5 TC4 的Johnson-Cook 失效準(zhǔn)則參數(shù)

3.1.3 摩擦模型

刀具與工件材料摩擦?xí)a(chǎn)生切削熱，其中切削過(guò)程摩擦是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，其中主要為刀-工件摩擦和刀-屑摩擦。這個(gè)摩擦過(guò)程不僅存在表面的外摩擦，還有由于材料剪切滑移流動(dòng)摩擦，因此采用最為廣泛Colomb 摩擦模型，其表達(dá)式為

式中：τf為摩擦應(yīng)力；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；τmax工 件最大剪切應(yīng)力；σn為法向應(yīng)力。

3.2 幾何模型建立

切削方式采用正交切削，刀具與工件二維仿真切削幾何模型如圖3a 所示，工件尺寸為1 mm×2 mm，刀具尺寸為0.4 mm×0.7 mm，前后角分別為0°、7°，固定工件，刀具自由移動(dòng)，刀尖簡(jiǎn)化不設(shè)圓弧。工件和刀具都確定為熱力耦合單元，使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，工件網(wǎng)格數(shù)為7 750 個(gè)，刀具為606 個(gè)，為了提高仿真效率，材料上部切削層劃分細(xì)小密集的網(wǎng)格，基體網(wǎng)格較大。設(shè)置初始溫度為20 ℃，邊界條件見(jiàn)圖3b。

圖3 正交切削有限元模型

3.3 仿真試驗(yàn)參數(shù)

仿真參數(shù)與切削試驗(yàn)的參數(shù)相同，控制切削速度98.14 m/min 和背吃刀量0.2 mm 不變，只改變進(jìn)給 量，分 別為0.10 mm/r、0.15 mm/r、0.20 mm/r、0.24 mm/r，選取切削過(guò)后某一時(shí)刻表面溫度和切削應(yīng)力圖像，進(jìn)行研究與分析。

4 有限元仿真試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 表面溫度分析

圖4 是不同進(jìn)給量下表層溫度云圖，將圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取處理，進(jìn)給量由小到大對(duì)應(yīng)的最高溫度依次為212 ℃、358 ℃、443 ℃和496 ℃，表層單元溫度依次為126 ℃、174 ℃、267 ℃和378 ℃，依據(jù)數(shù)值生成表層最大溫度和平均溫度曲線（如圖5）。由圖4 和圖5 可知，表層溫度最高，由外到內(nèi)，溫度逐漸降低，隨著進(jìn)給量的增大，最大溫度和平均溫度都在升高，最大溫度升高約280 ℃，平均溫度升高約為250 ℃。這是因?yàn)殡S著切削的進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，材料去除量增大，產(chǎn)生大量切削熱，導(dǎo)致表層溫度升高。同時(shí)，切削過(guò)程熱量會(huì)通過(guò)刀具和切屑傳導(dǎo)，由于受到切削熱以及高應(yīng)變率的影響，切屑由帶狀切屑轉(zhuǎn)為鋸齒形切屑，鋸齒化程度越來(lái)越明顯，切屑分離不能及時(shí)帶走熱量，導(dǎo)致殘留在切削表面的熱量增多，溫度升高。表層受熱影響更容易發(fā)生塑性變形，所以，試驗(yàn)中觀察到的表層金相組織變形層厚度隨進(jìn)給量增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖4 不同進(jìn)給量下切削表層溫度云圖

圖5 不同進(jìn)給量下切削表層最大溫度和平均溫度曲線

4.2 表面應(yīng)力分析

圖6 為不同進(jìn)給量下切削表面應(yīng)力云圖，應(yīng)力為切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力，由仿真結(jié)果可以看出，距離表面距離越大，應(yīng)力有先增大后減小的趨勢(shì)，大的應(yīng)力主要出現(xiàn)在距離表面有一定距離的部分區(qū)域。當(dāng)f=0.1 mm/r 時(shí)，應(yīng)力影響區(qū)域較淺，較大應(yīng)力存在于靠近表面處，最大應(yīng)力為864 MPa。隨著進(jìn)給量的增大，應(yīng)力層逐漸向內(nèi)部加深，影響區(qū)域擴(kuò)大。當(dāng)f=0.15 mm/r 時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近表層的內(nèi)部區(qū)域，最大值為1 177 MPa。當(dāng)進(jìn)給量f=0.20 mm/r、f=0.24 mm/r 時(shí)，最大應(yīng)力值分別為1 240 MPa、1 494 MPa。經(jīng)計(jì)算，進(jìn)給量從小到大所對(duì)應(yīng)平均應(yīng)力依次為432 MPa、548 MPa、593 MPa、702 MPa。根據(jù)數(shù)據(jù)生成如圖7 切削表層最大應(yīng)力和平均應(yīng)力曲線，結(jié)果顯示：曲線呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大應(yīng)力增幅約為400 MPa，單元應(yīng)力增幅約為300 MPa，增幅顯著。一方面，切削過(guò)程實(shí)際上是材料去除的過(guò)程，當(dāng)進(jìn)給量不斷增大，材料去除體積增大，產(chǎn)生更大的切削力，單位面積上的切削力更大，即表層切削應(yīng)力也就更大。另一方面，隨著切削的進(jìn)行，當(dāng)切屑與工件表面分離后，工件表面仍然存在著切削熱，切削熱量的殘留會(huì)引起表層溫度變化，造成材料表層溫度分布不均，表層材料會(huì)產(chǎn)生不同程度的膨脹，切削過(guò)后不能及時(shí)恢復(fù)，會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生。正如表層微觀組織金相圖顯示，晶粒距離表面越遠(yuǎn)變形程度越小，隨進(jìn)給量增大應(yīng)力增大，晶粒變形層厚度也增大。

圖6 不同進(jìn)給量下切削表層應(yīng)力云圖

圖7 不同進(jìn)給量下切削表層最大應(yīng)力和平均應(yīng)力曲線

5 表層晶粒變形層研究與分析

切削加工過(guò)程受熱力耦合作用，工件表層金相組織發(fā)生變化，表層晶粒塑性變形。由圖2、圖4和圖6 的切削表層分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給量增大，越靠近表層的溫度越高，材料熱塑性越強(qiáng)，在切削力共同作用下，晶粒破壞越嚴(yán)重，表層的晶?；虮焕旎虮患?xì)化，晶粒變形程度不均勻，而此時(shí)內(nèi)部金屬主要表現(xiàn)為彈性變形。由胡克定律可知，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，彈性變形量越大，應(yīng)力也就越大。表層金屬受到外部切削熱和切削力的影響，內(nèi)部材料產(chǎn)生內(nèi)力，以抵抗外部因素的作用，因此切削力越大，單位面積上抗力越大，應(yīng)力就越大，晶粒塑性變形越嚴(yán)重。切削過(guò)后，外部作用因素逐漸消除，內(nèi)層的晶粒受到表層限制不能立即恢復(fù)，導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生，促使得表層材料產(chǎn)生變質(zhì)。因此溫度越高，應(yīng)力越大，導(dǎo)致材料越容易塑性變形。

塑性變形層的顯微組織形態(tài)是受溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率以及熱力耦合等多種因素共同作用的結(jié)果，表層材料晶粒拉長(zhǎng)、細(xì)化，甚至當(dāng)溫度超過(guò)相變溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)相變，最終促成塑性變形層形成，也就是變質(zhì)層[12]。將已加工表層塑性變形層進(jìn)行細(xì)致劃分，將最靠近表層晶粒變化較大的區(qū)域稱為熱變形區(qū)，除此之外的變質(zhì)層區(qū)域稱為塑性變形區(qū)。在熱變形區(qū)內(nèi)，晶粒形態(tài)變化明顯，貼近表面的晶粒被拉長(zhǎng)堆積到一起，這主要是因?yàn)楸韺訙囟扔杀韺酉騼?nèi)逐漸降低，越進(jìn)階表層溫度越高，原子活動(dòng)劇烈，遇到刀具和材料之間強(qiáng)烈的摩擦擠壓，晶粒發(fā)生變形嚴(yán)重，細(xì)化程度也越強(qiáng)。塑性變形區(qū)內(nèi)晶粒主要發(fā)生塑性彎曲扭轉(zhuǎn)變形，內(nèi)部晶粒受到表面晶粒的變形產(chǎn)生彎曲，越靠近內(nèi)部受溫度和力的作用越小，變形也逐漸減小。在熱變形區(qū)和塑性變形區(qū)之間過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，由仿真結(jié)果顯示應(yīng)力較大，甚至高于最靠近表面處，此時(shí)這部分的晶粒受正處在彎曲、拉長(zhǎng)的過(guò)渡階段，晶粒變形程度不均勻，當(dāng)拉長(zhǎng)的晶?；謴?fù)時(shí)，受到最表層大變形晶粒的制約無(wú)法恢復(fù)，導(dǎo)致內(nèi)部抗力無(wú)法消除，從而會(huì)形成殘余應(yīng)力，而最表面的晶粒受高溫影響，晶粒容易被破壞，有可能相變或重組，改善了表層晶粒變形的均勻性，殘余應(yīng)力反而會(huì)減小[13]。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）切削加工后表層隨進(jìn)給量增大，塑性變形層變厚，晶粒變形程度增大，出現(xiàn)晶粒拉伸、細(xì)化、扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，并且進(jìn)給量越大，變形影響區(qū)域擴(kuò)大速度越快。

（2）模擬仿真結(jié)果顯示：進(jìn)給量增大，表面溫度和應(yīng)力都增大。在最表面溫度最高，越往內(nèi)部溫度越低，而距離表面越遠(yuǎn)，應(yīng)力則呈現(xiàn)先增大后減小的結(jié)果，在距離表面有一定距離處的應(yīng)力較大。

（3）切削過(guò)程表層材料受溫度影響被熱軟化，在切削力作用下發(fā)生不同程度塑性變形。受熱力耦合作用，內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生抗力，單位面積上抗力越大，應(yīng)力也越大，說(shuō)明晶粒變形越厲害。切削后晶粒變形嚴(yán)重?zé)o法恢復(fù)，引起殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。