摘要：鈦合金由于有著低比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性，其在化學(xué)、醫(yī)療、汽車和航空航天工業(yè)中有多種用途，但同時(shí)鈦合金也是一種非常難加工的材料，切削溫度高是其加工過程中最顯著的特征之一，對(duì)零件服役性能與可靠性有著至關(guān)重要的影響。為此，本研究借助Deform3D有限元仿真軟件，對(duì)鈦合金鉆削過程進(jìn)行了仿真，得到了鉆削溫度場的分布特征，并分析了鉆削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響規(guī)律，為工程實(shí)踐提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鈦合金；Deform3D；溫度場；鉆削

鈦合金是一種因其輕量化、高強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性而備受青睞的材料，廣泛應(yīng)用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［1］。然而，鈦合金的高強(qiáng)度也使得在其表面進(jìn)行鉆孔變得具有挑戰(zhàn)性，主要問題之一是加工鈦合金材料過程中的刀具溫度升高［2］，可能會(huì)產(chǎn)生切屑瘤等加工缺陷，從而導(dǎo)致鈦合金材料的質(zhì)量損失和工具壽命的縮短［3］。因此，本研究旨在分析鈦合金鉆孔過程中的溫度場，對(duì)抑制刀具磨損、提高制孔質(zhì)量有著重要意義［4］。

本研究采用Deform3D軟件，以其優(yōu)越的有限元分析能力，對(duì)鈦合金鉆削過程中的溫度場進(jìn)行建模與仿真［5］，以深入理解加工過程中的熱力學(xué)行為，為優(yōu)化鈦合金鉆削過程提供新的理論和方法支持［6］，推動(dòng)鈦合金加工領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)為相關(guān)行業(yè)的工程師和研究人員提供深入認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)意見，促進(jìn)鈦合金加工技術(shù)的發(fā)展［7］。

1仿真模型的建立

1.1仿真幾何模型

麻花鉆模型通過第三方軟件建模完成后直接導(dǎo)入Deform軟件中，根據(jù)麻花鉆的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，采用直徑為5mm的麻花鉆，其網(wǎng)厚度為1.08mm，螺旋角為30°，頂角為118°［8］。

工件模型的建立采用軟件自帶的建模功能，通過輸入圓柱體直徑和厚度來自動(dòng)生成工件模型，為減小計(jì)算成本，設(shè)置工件直徑為15mm，厚度為2.5mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

Deform3D提供了強(qiáng)大的適應(yīng)性網(wǎng)格劃分工具，使用戶能夠根據(jù)模擬區(qū)域的特性自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格的密度。這意味著在高溫或高應(yīng)力區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)致的網(wǎng)格劃分，而在對(duì)仿真結(jié)果沒有太大影響的區(qū)域，可以采用相對(duì)較粗的網(wǎng)格［9］。

在本研究的仿真中，刀具設(shè)置為剛體，采用相對(duì)法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為20000個(gè)。工件采用絕對(duì)法，為了產(chǎn)生較好的切削效果，設(shè)置最小單元尺寸為進(jìn)給量的50%，尺寸比表示最大單元尺寸和最小單元尺寸的比值，默認(rèn)為7。

1.3材料屬性的設(shè)置

鉆頭材料為WC硬質(zhì)合金，直接選用Deform3D軟件的材料庫中的WC材料。工件材料為鈦合金（Ti6Al4V），其主要性能參數(shù)如表1所示。

鈦合金的本構(gòu)方程采用JohnsonCook（JC）模型，JC模型充分考慮了溫度、高應(yīng)力應(yīng)變速率對(duì)材料本構(gòu)模型的影響，其表達(dá)式如下：

σ=A+B（ε）n1+Clnε*1-（T*）m

其中，A、B、C、m、n為JC本構(gòu)方程最主要的五個(gè)參數(shù)，其含義和數(shù)值如表2所示［9］。

1.4邊界條件及接觸的設(shè)定

在Deform軟件中進(jìn)行仿真時(shí)，合理的邊界條件和接觸設(shè)置是確保仿真準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵因素。以下是在模擬中所采用的邊界條件和接觸設(shè)定的詳細(xì)說明：

將工件完全固定后，設(shè)置邊界條件，主軸轉(zhuǎn)速為400RPM，進(jìn)給量為0.1mm/r，鉆孔深度為2.5mm。

定義接觸條件時(shí)要設(shè)置接觸面的摩擦系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及刀具的磨損模型。將摩擦種類設(shè)定為剪切摩擦，摩擦系數(shù)定為0.6，熱傳導(dǎo)系數(shù)為45，另外，設(shè)置熱對(duì)流系數(shù)為0.02N/sec/mm/c，環(huán)境溫度為20℃，變形和溫度求解器均為共軛梯度求解，采用直接迭代方法［10］。

為了研究鉆削參數(shù)對(duì)鉆削溫度的影響規(guī)律，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為400RPM、600RPM和800RPM三個(gè)水平，進(jìn)給量設(shè)置0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r三個(gè)水平進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2仿真結(jié)果與分析

2.1鉆削溫度場的分布特點(diǎn)

如圖1、圖2所示為800RPM下鉆頭行程為1.25mm、2mm時(shí)鉆孔的等溫曲線圖。由圖可知，鉆削溫度在軸向剖面內(nèi)成“M”形分布，鉆削溫度會(huì)隨著鉆頭進(jìn)程的增加而逐漸增大。溫度最高的地方是主切削刃與工件的接觸表面，越靠近這個(gè)區(qū)域溫度越高。這是因?yàn)樵诘毒叩那邢髯饔孟拢饘僭诩羟袇^(qū)發(fā)生塑性變形，這是產(chǎn)生切削熱的重要原因之一。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，導(dǎo)致溫度升高。而橫刃與工件的接觸表面的溫度較低，這是因?yàn)樵阢@孔時(shí)，橫刃的作用是為了提供支撐，減輕主切削刃的負(fù)擔(dān)。它通常設(shè)計(jì)成較小的切削刃，減少與工件的直接接觸，從而降低切削力，減少摩擦。從圖中也可以看出切屑帶走了大量的切削熱量；通過上述仿真結(jié)果也可看出仿真結(jié)果接近真實(shí)加工。

2.2鉆削參數(shù)對(duì)鉆削溫度的影響規(guī)律

圖3所示為進(jìn)給量為0.1mm/r下主軸轉(zhuǎn)速分別為400RPM、600RPM、800RPM時(shí)的溫度場圖；圖4為600RPM下進(jìn)給量分別為0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r時(shí)的溫度場圖。

由圖3、圖5可知，在進(jìn)給量為0.1mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為400RPM、600RPM、800RPM下，鉆頭開始工作1s時(shí)，鉆孔溫度分別為197℃、277℃、406℃，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，相應(yīng)的工件切削區(qū)的溫度也呈增加趨勢。首先，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速越大，意味著鉆頭與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)更為迅速，單位時(shí)間內(nèi)，鉆頭切削刃鉆削次數(shù)增多，做功多，產(chǎn)生的熱量也越多；其次，切削與刀具前面、刀具后面與工件接觸摩擦次數(shù)也增多，再加上鈦合金本身導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量不能及時(shí)散去，產(chǎn)生的熱量都積累在鉆屑和刀具之間，從而提高了制孔位置處的溫度。

由圖4、圖6可知，在主軸轉(zhuǎn)速為600RPM，進(jìn)給量分別為0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r下，鉆頭開始工作1.5s時(shí)，鉆孔溫度分別為373℃、564℃、663℃，隨著進(jìn)給量的增加，相應(yīng)的工件切削區(qū)的溫度也呈增加趨勢。雖然在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著進(jìn)給量的增加，摩擦的距離變短，產(chǎn)生的熱量變少，但是進(jìn)給速度的增加會(huì)導(dǎo)致更大的熱輸入，刀具在更短的時(shí)間內(nèi)完成相同的鉆孔深度，這會(huì)使切削區(qū)域的溫度上升。此外，進(jìn)給速度的改變會(huì)影響切削力，高進(jìn)給速度會(huì)增加切削力，而更大的切削力會(huì)導(dǎo)致刀具與工件之間的摩擦和熱量的增加。故雖然由于摩擦距離的縮短，產(chǎn)生的熱量減少，但總產(chǎn)熱是增多的。所以，進(jìn)給量越大，工件切削區(qū)的溫度越高。

3結(jié)論

本研究通過Deform3D有限元仿真軟件，模擬了WC硬質(zhì)合金鉆頭鉆削鈦合金（Ti6Al4V）的過程，得到了鉆削溫度場分布特征，并探討了鉆削過程中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)溫度場的影響規(guī)律及原因。仿真結(jié)果表明在制孔時(shí)溫度會(huì)隨著鉆頭進(jìn)程的增加而逐漸增大，而且轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)溫度場有顯著影響，隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增加，鉆頭在切削和摩擦過程中產(chǎn)生的熱量也隨之增加，導(dǎo)致溫度場的溫度升高。因此，在實(shí)際鉆削鈦合金材料過程中，為避免刀具溫度過高導(dǎo)致切屑瘤等加工缺陷產(chǎn)生，需選擇合適的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)其進(jìn)行加工，以保證鉆削效果，提高鉆孔質(zhì)量。

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基金項(xiàng)目：本項(xiàng)研究工作得到了國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金項(xiàng)目的資助，資助課題編號(hào)：COMACSFGS2021606

作者簡介：易守華（1979—），男，湖南婁底人，博士，講師，主要研究方向：航空構(gòu)件殘余應(yīng)力與加工變形。