崔云先,曹凱迪,王浩宇,殷俊偉

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

鈦合金因其密度低、比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域[1]。然而,在高速銑削加工過程中,鈦合金因其導(dǎo)熱系數(shù)低,化學(xué)活性大,在加工過程中產(chǎn)生的切削熱不容易傳出,導(dǎo)致銑削溫度過高,影響加工質(zhì)量和刀具壽命[2]。因此,研究鈦合金銑削加工過程中的溫度及其影響因子具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對鈦合金加工溫度也進(jìn)行了大量探究。岳彩旭等[3]利用ABAQUS軟件仿真得到銑削加工不同參數(shù)下鈦合金薄壁類零件的應(yīng)力場和溫度場變化情況,并運(yùn)用仿真結(jié)果對銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;胡木林[4]對鈦合金高速切削的溫度場進(jìn)行分析,通過仿真分析了切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量對刀具壽命的影響;何寶等[5]對硬質(zhì)合金切削鈦合金過程中的切削溫度場及刀具磨損進(jìn)行了仿真分析,模擬了不同切削參數(shù)下鈦合金加工溫度場變化及道具磨損變化規(guī)律;田衛(wèi)軍等[6]采用有限元仿真軟件分析工件和刀具上的溫度分布規(guī)律,獲得了鈦合金鉆削參數(shù)對鉆削力和鉆削溫度的影響規(guī)律;孫建波等[7]建立鈦合金二維正交切削仿真模擬,對仿真模型與熱成像儀測得的實(shí)際溫度進(jìn)行比較,得到切削溫度關(guān)于不同參數(shù)的數(shù)學(xué)模型;Lin等[8]對鈦合金高速加工過程進(jìn)行二維仿真,仿真的溫度結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致;劉東等[9]對鈦合金的切削過程進(jìn)行了有限元分仿真,得到了切削鈦合金時(shí)刀具及工件的溫度分布情況。

近年來,眾多學(xué)者已經(jīng)對鈦合金加工過程溫度場進(jìn)行了大量研究,但有關(guān)鈦合金銑削過程溫度最高點(diǎn)位置及其影響因素的研究相對較少,而銑削溫度最高點(diǎn)對研究刀具磨損機(jī)制及其抑制方法以及刀具熱變形有十分重要的作用。因此,本文以TC4鈦合金為研究對象,首先采用有限元仿真的方法研究了鈦合金銑削加工過程中溫度最高點(diǎn)的情況,并用銑刀進(jìn)行鈦合金銑削試驗(yàn)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用薄膜熱電偶溫度傳感器對鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究,對最高點(diǎn)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,得到了銑削速度、進(jìn)給量、銑削深度及交互因素對銑削鈦合金最高點(diǎn)溫度的影響,并建立了銑削最高點(diǎn)溫度的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 鈦合金銑削三維有限元仿真

1.1 鈦合金銑削模型

本文選用的銑刀片為硬質(zhì)合金材質(zhì)(型號為CPMT1604),工件為TC4鈦合金。首先利用CREO軟件繪制鈦合金銑削仿真模型,銑刀片后角為11 ℃,幾何尺寸為16 mm×16 mm×4 mm,鈦合金工件尺寸為50 mm×10 mm×30 mm。

將繪制成的模型圖導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為提高計(jì)算效率,保證計(jì)算精度,對刀具進(jìn)行漸變網(wǎng)格劃分,刀尖處網(wǎng)格較密。繪制完成的鈦合金銑削仿真模型見圖1。設(shè)置接觸方式為刀具和工件面-面接觸,刀具設(shè)置為剛體,設(shè)置刀具銑削速度為188.04 m/min,進(jìn)給量為200 mm/min,銑削深度為0.5 mm,模型的初始溫度為20 ℃。

圖1 鈦合金銑削仿真模型

1.2 鈦合金材料的本構(gòu)模型

本構(gòu)模型是描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度-時(shí)間關(guān)系之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,ABAQUS目前常用的本構(gòu)模型有:Bonner-Paton、Follansbee-Kocks、Zerrilli-Armstrong 、Johnson-Cook等,本文選擇Johnson-Cook模型(簡稱JC模型)來定義鈦合金加工過程中的材料屬性,具體表達(dá)式為:

(1)

JC本構(gòu)參數(shù)A、B、C、n、m的取值分別為1098、892、0.01、0.93、1.1。

1.3 材料失效準(zhǔn)則和損傷演化

本文選用JC損傷失效模型來描述鈦合金在銑削過程中的失效準(zhǔn)則,當(dāng)ω大于0時(shí),單元發(fā)生失效并產(chǎn)生分離,模型表達(dá)式為:

(2)

(3)

2 鈦合金銑削有限元仿真結(jié)果分析

2.1 銑削溫度仿真結(jié)果分析

圖2為銑削鈦合金時(shí)銑刀片前刀面及工件的溫度仿真結(jié)果。由圖2可以看出,銑削鈦合金產(chǎn)生的溫度最高點(diǎn)位于銑刀片前刀面,這是由于刀片切入工件時(shí),工件剪切變形產(chǎn)生熱量以及切屑切出時(shí)與刀片前刀面摩擦產(chǎn)生熱量累積,溫度迅速上升,進(jìn)入穩(wěn)定銑削之后,銑削溫度趨于穩(wěn)定。由TC4鈦合金銑削溫度仿真結(jié)果可以看出,鈦合金銑削加工時(shí)溫度最高點(diǎn)位置位于刀-屑接觸區(qū)域,溫度為232.5 ℃。

圖2 銑削鈦合金溫度最高位置

2.2 銑削溫度仿真結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述有限元仿真的準(zhǔn)確性,選用XK7120數(shù)控銑床進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),刀具采用T型銑刀,工件為TC4鈦合金。由于普通絲式熱電偶在測量刀-屑接觸溫度時(shí)有很大干擾,故選用薄膜熱電偶作為溫度傳感器。將薄膜熱電偶溫度傳感器嵌入銑刀片前刀面,補(bǔ)償導(dǎo)線與固定在刀柄處的ZigBee無線傳輸模塊連接,溫度信號通過無線傳輸方式發(fā)送至上位機(jī)軟件。試驗(yàn)示意圖見圖3。

圖3 銑削示意

試驗(yàn)所用TC4鈦合金工件尺寸為160 mm×140 mm×50 mm。采用與鈦合金仿真模型相同的銑削參數(shù)進(jìn)行銑削,試驗(yàn)得到的切屑見圖4,鈦合金銑削仿真得到的切屑見圖5?？梢钥闯龇抡媲行寂c銑削試驗(yàn)產(chǎn)生的切屑形態(tài)基本一致。

圖4 鈦合金試驗(yàn)切屑圖

圖5 鈦合金仿真切屑圖

為保證銑床進(jìn)給量為200 mm/min,銑削深度為0.5 mm,采用3種不同的銑削速度分別進(jìn)行試驗(yàn),銑削速度分別為113.04、150.72、188.04 m/min。對現(xiàn)場試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,與仿真得到的銑削溫度最高值進(jìn)行比較。圖6為試驗(yàn)溫度與仿真最高值對比。

圖6 鈦合金銑削試驗(yàn)溫度與仿真最高點(diǎn)對比

由圖6可知,試驗(yàn)最高值與仿真最高值之間誤差小于4.3%。由于銑削仿真模型基于理想條件建立,考慮到實(shí)際銑削過程中機(jī)床等外部條件的影響會(huì)導(dǎo)致仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差,但這個(gè)誤差在允許范圍之內(nèi),因此,可以認(rèn)為該模型是準(zhǔn)確的。

3 鈦合金銑削試驗(yàn)

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的ANOVA方差分析法分析對鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度有顯著影響的因素。銑削速度取3個(gè)水平,進(jìn)給量取3個(gè)水平,銑削深度取3個(gè)水平。對3因素各水平的每個(gè)組合做試驗(yàn),組成27組試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表及溫度見表1。

Design and Construction of Smart Commercial District……………FAN Wei, LIU Hai(4·52)

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表及溫度

續(xù)表

取顯著水平a=0.05,運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行ANOVA方差分析,得到的結(jié)果見表2。

表2 ANOVA方差分析結(jié)果

由表4可知,對銑削最高點(diǎn)溫度有顯著影響的依次是銑削深度(A)、進(jìn)給量(B)、銑削速度(C)、銑削速度×進(jìn)給量(AB),對銑削最高點(diǎn)溫度影響不顯著的因素是進(jìn)給量×銑削深度(BC)、銑削速度×銑削深度(AC)。因此,在銑削TC4鈦合金材料時(shí),為控制銑削最高點(diǎn)溫度不發(fā)生突變,從單因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削深度,從交互因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削速度和進(jìn)給量。ANOVA多因素方差分析的結(jié)果不僅能夠分析銑削深度、進(jìn)給量、銑削速度對銑削鈦合金最高點(diǎn)溫度的獨(dú)立影響,更能夠分析銑削深度、進(jìn)給量、銑削速度三者之間的交互作用對銑削鈦合金最高點(diǎn)溫度產(chǎn)生的顯著影響,最終找到控制鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度的最優(yōu)組合。

4 鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式

在鈦合金銑削加工過程中銑削參數(shù)隨加工環(huán)境變化而變化, 不同的銑削參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的銑削最高點(diǎn)溫度。因此,得出鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式對鈦合金銑削加工具有重大意義。銑削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式通用模型[11]為:

(4)

式中:v為銑削速度;ap為銑削深度;f為進(jìn)給量;aw為銑削寬度;CTθ、XTθ、yTθ、mTθ、nTθ均為經(jīng)驗(yàn)公式的待定系數(shù)。

本文銑刀銑削寬度為60 mm,將上述27組試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式并通過Matlab編程求解經(jīng)驗(yàn)公式通用模型系數(shù),得到TC4鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式為:

(5)

為驗(yàn)證該銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性,采用兩組試驗(yàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)對預(yù)測最高點(diǎn)溫度值和試驗(yàn)最高點(diǎn)溫度值進(jìn)行對比,見表3。

表3 銑削最高點(diǎn)溫度試驗(yàn)值與預(yù)測值對比

5 結(jié)論

本文通過對鈦合金進(jìn)行銑削溫度有限元仿真和現(xiàn)場試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1)銑削鈦合金過程中,刀-屑接觸界面溫度最高。通過對鈦合金進(jìn)行銑削試驗(yàn),從切屑形貌和最高點(diǎn)溫度兩方面進(jìn)行對比,結(jié)果表明,仿真切屑與試驗(yàn)切屑形貌基本一致,仿真溫度與試驗(yàn)溫度最大誤差為4.3%,證明該仿真模型是準(zhǔn)確的。

(2)通過對鈦合金銑削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行ANOVA方差分析,得出在銑削TC4鈦合金材料時(shí),為控制銑削最高點(diǎn)溫度不發(fā)生突變,從單因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削深度;從交互因素調(diào)節(jié)的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削速度和進(jìn)給量。

(3)建立了鈦合金銑削最高點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)公式,通過對比試驗(yàn)溫度與預(yù)測溫度得出該經(jīng)驗(yàn)公式誤差最大值為7.8%,誤差在允許范圍之內(nèi),因此,可以認(rèn)為該經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確。