基于AdvantEdge的Ti6Al4V鈦合金多工步切削加工表面殘余應力分析

黃雨,孫付春,陳云,楊柳

1成都大學機械工程學院;2成都大學國資處;3成都工具研究所有限公司

1 引言

由于鈦合金在高溫條件下具有卓越的性能(高強度、高斷裂韌性和耐腐蝕性等),被廣泛應用于航天航空、海洋、化工等領域[1]。然而,鈦合金具有低熱導率特性,其在切削加工過程中易出現溫度集中,容易影響加工表面平整度,縮短刀具使用壽命。同時,鈦合金化學活性強,在300℃時幾乎能與所有刀具發生反應,導致生成變質污染層,繼而影響刀具性能,使其容易發生缺口、崩刃等現象。因此,相比于其他金屬,鈦合金的加工費用往往會更加昂貴。高昂的加工費用決定了鈦合金的切削加工性能不適合采用大批量實驗研究,且在實際的加工過程中,鈦合金的加工往往采用多次切削工藝完成,此過程中工件多步受載、多步馳豫,這對實驗加工和參數測量的硬件條件提出了很高的要求。因此,基于有限元法的鈦合金多工步切削加工模擬仿真具有較大的實際意義,已有諸多學者對其進行了研究,李炎軍等[2]建立了兩工步切削有限元模型,通過將第一工步切削完成后的應力和應變場作為初始邊界條件,加載到第二工步切削過程中,結果發現,隨著切削速度增加,加工表面殘余應力增大,且殘余應力主要分布在距已加工表面0～0.5mm的深度范圍內。

殘余應力作為加工表面完整性的重要衡量指標,在多工步切削工藝的研究中占有重要地位。Abboud E.等[3]通過切削Ti6Al4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo發現,切削速度、進給量和刀具圓弧半徑對表面殘余應力均有明顯影響,但切削深度的影響較小。對于TC4來說,在進給量較小時,隨著刀尖圓弧半徑增大,表面殘余應力增加;隨著進給量增加,表面殘余壓應力減小。同時,在相同進給量條件下,Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo表面的殘余壓應力比TC4增加50%左右。宋緒浩[4]建立了鈦合金兩工步切削仿真模型,研究了多工步切削對切削形態、切削力以及加工表面殘余應力的影響規律,結果表明,多工步切削會導致已加工表面殘余壓應力增大。Nasr M.N.A.[5]通過有限元模擬測量了AISI1045在多工步切削工況下溫度、切削力、應力應變和塑性應變等參數,分析各種殘余應力的分布情況,通過對比分析發現,殘余應力分布不同的主要原因是各工步切削的初始應力狀態不同。在金屬加工過程中,刀具涂層作為化學屏障和熱屏障,能避免刀具與工件間的直接接觸,減少二者間的相互擴散,提升刀具抗氧化、抗黏結和抗磨損性能,最終達到提升刀具壽命、改善工件表面質量和提高切削效率的目的。?zel T.等[6]對無涂層、單層和多層涂層WC/Co硬質合金刀具在干式切削TC4過程中的切削性能進行了研究,結果表明,使用多層涂層刀具在較高的切削速度下產生了較大的切削力,但表現出良好的抗磨損性能。陳響明[7]計算了TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN多層復合涂層中的殘余應力分布,利用X射線應力儀測試了樣品中的殘余應力,研究表明,基體和涂層間細小的熱膨脹率差別會在涂層中產生較大的熱應力,且噴砂和噴丸可有效增加涂層中的裂紋密度,釋放涂層中的殘余應力。Breidenstein B.等[8]對AISI4140和TC4兩種不同基體的涂層硬質合金刀具進行切削試驗,結果表明,涂層殘余應力與刀具磨損有相關性,尤其與磨損類型相關;提高刀具表面TiAlN涂層(物理氣相沉積法)及基體的殘余壓應力水平后,刀具抵抗牙洼磨損、后刀面磨損及崩刃的能力相應提高;基體附近殘余應力為較高的殘余壓應力水平時,刀具抵抗崩刃的能力更強。

綜上所述,針對TC4鈦合金多工步切削工藝及已加工表面殘余應力的研究已有諸多文獻進行了報道,刀具涂層對切削性能及已加工表面殘余應力的影響也已經有學者進行了探討。然而,涂層刀具多工步切削TC4鈦合金工況下,刀具涂層對不同工步已加工表面殘余應力的影響規律還少有人研究。因此,本文基于有限元金屬切削仿真軟件AdvantEdge,結合已有文獻實驗和仿真數據,分析了不同刀具涂層在不同切削工步條件下TC4鈦合金已加工表面殘余應力的分布規律,為殘余應力控制提供參考。

2 有限元模型

2.1 幾何模型

基于Third Wave AdvantEdge有限元軟件建立二維正交切削模型,工件尺寸為2mm×1.25mm,工件材料選用TC4鈦合金,刀具材料選用硬質合金(本模型中刀具默認為剛體),工件、刀具材料的性能參數如表1所示。切削過程中伴隨大變形和金屬熱軟化效應,因此TC4的本構方程選用Johnson-Cook模型[1],其函數表達式為

表1 Ti6Al4V和硬質刀具材料參數[1]

(1)

各參數取值如表2所示,同時,設定加工工藝參數如表3所示,如無特殊說明,表1～表3的設置適用于本文后續內容。

表2 Ti6Al4V的Johnson-Cook參數

表3 Ti6Al4V加工工藝參數

2.2 網格劃分及殘余應力提取

在AdvantEdge軟件中采用自適應網格和連續網格劃分的拉格朗日法,其優點是能精確表述結構邊界運動。網格粗化系數指網格快速粗化至最大尺寸的速度,其決定單元變形后的粗化程度,網格細化系數指網格細化至最小尺寸的速度,其決定網格細化的程度,本文的網格粗化系數選用默認值6,網格細化系數設為2。對刀具和工件分開設置網格大小,以便使仿真精度更高。工件切削區域最小網格單元尺寸為0.02mm,最大單元尺寸為0.1mm;刀具最小網格單元為0.02mm,最大單元網格為0.1mm。G為網格劃分等級參數,范圍為0.1～1,其大小決定了靠近切削刃區域由粗網格向細網格轉化的快慢程度,為節約時間且不影響仿真精度,本文選用G=0.4。

有限元分析處理工件材料的卸載過程包括卸載和去約束兩個步驟,如圖1所示。在工件已加工表面中點位置,沿已加工表面法線方向提取h=1mm深度的殘余應力路徑作為工作路徑。在正交直角切削過程中,工件材料的變形只發生在切削平面上(即x-y平面),其中,S11和S22分別代表x方向(切削方向)和y方向。由于隨著加工表面深度的增加,S11方向殘余應力較S22方向波動較大且起主導作用,因此,本文主要研究S11方向上的殘余應力。

圖1 殘余應力數據提取路徑

2.3 切削接觸模型

鈦合金進行加工時,刀—工接觸區的摩擦對刀具壽命、切削熱和加工表面有重要影響。在切削過程中,刀具與工件間發生劇烈摩擦,包括前刀面與流動切屑之間的摩擦和后刀面與已加工表面的摩擦,如圖2所示。對于前刀面與切屑的接觸,一般認為存在黏結區和滑動區,作用于前刀面上的法向應力和摩擦應力沿前刀面的分布規律如圖3所示。摩擦因數對仿真結果有明顯的影響,在黏結區,剪應力為固定值,與材料的屈服應力相等;在滑動區,摩擦因數μ為常數,AdvantEdge FEM使用庫倫摩擦模型,文中摩擦因數μ=0.2,即

圖2 切削加工摩擦

圖3 前刀面法向應力與摩擦應力分布

(2)

式中,τcrit為剪應力;τ為摩擦應力;σ為法向應力。

2.4 模型驗證

為了驗證本文模型的準確性,參考文獻[9]的算例,其參數為:工件材料為TC4鈦合金,工件長度9mm,工件高度3mm;刀具材料為Carbide-Grade-k型硬質合金刀具,刀具切削刃半徑0.02mm,前角5°,后角10°;進給量fc=0.1mm/r,背吃刀量ap=1mm,切削速度v=40m/min,刀具切削長度6mm。圖4為二維切削仿真模擬過程,圖5為切削結束后S11方向上距初始切削位置3mm處、h=0～1mm的殘余應力分布圖,其中,紅色圓點線表示文獻值,黑色三角形點線表示本文仿真值。從圖5可知,本文仿真值和文獻值吻合較好,充分證明了本文模型的準確性。

圖4 仿真模擬過程

圖5 距加工表面0～1mm范圍內的殘余應力分布

3 殘余應力分析

3.1 切削速度對殘余應力分布影響

為探究切削速度對殘余應力的影響規律,設進給量fc=0.04mm/r,背吃刀量ap=0.7mm,切削速度分別為30m/min,60m/min,80m/min,100m/min。按照前文所述殘余應力提取方法,得到不同切削速度作用下已加工表面中點位置殘余應力沿距離h的分布,如圖6所示,圖6a和圖6b分別表示第一工步和第二工步切削后的結果?？芍?在不同切削速度條件下,殘余應力的分布趨勢趨于一致,即隨著h增大,壓應力先增大到極大值(或拉應力先減小到極小值),隨后壓應力減小到極小值(或拉應力增大到極大值),最后殘余應力趨近于0。采用有限元法對多工步切削過程的殘余應力進行模擬,一般認為加工表層的殘余壓應力是由加工過程中的機械載荷作用產生的塑性變形所引起,而殘余拉應力則是由切削熱產生的熱膨脹所引起[10],最終加工表層所殘留的殘余應力則是由機械載荷和熱載荷共同作用產生。從圖6a可知,當h=0mm時,隨著切削速度增加,殘余應力有向拉應力轉變的趨勢。這是因為切削速度增大,意味著切削同等距離的工件所用時間減少,從而導致刀具切削相同距離材料時散熱時間減少,最終引起切削表面溫度增大,熱載荷作用逐漸大于機械載荷作用,導致殘余應力向拉應力轉變。然而,從圖6b可知,當h=0mm時,第二工步切削后的殘余應力暫無上述規律可循,這是因為第一工步切削過后,其已加工表層會殘留塑性變形、殘余應力等不確定因素,導致第二工步切削時的初始條件極其復雜,從而使殘余應力無法滿足上述規律。

(a)第一工步

此外,圖6a還顯示,隨著切削速度增加,最大殘余應力會增大。這是因為切削速度增加,單位時間內金屬的去除量增加,同時工件所受切削力隨之增加,即此時的工件表層的殘余應力主要受機械載荷作用影響。然而,由于同樣的原因,第二工步切削后的最大殘余應力暫無上述規律可循。對比圖6a和圖6b發現,在相同切削速度條件下,第二工步所引起的殘余應力會大于第一工步。這是由于在連續切削過程中,后續加工工步建立在前一工步的加工硬化影響所積累的應力應變基礎上,已被加工硬化影響的表層難以被進一步加工硬化,這意味著多工步加工過程中,第二工步的硬化系數要比第一工步大,這會導致殘余壓應力增加。同時,由于第一工步產生的熱軟化效應以及第二工步產生的應力與應變積累也會對第二工步的加工表面殘余應力分布產生影響。多種因素的疊加使得連續切削過程中殘余應力分布規律改變,表現為圖6a與圖6b所示的第二工步已加工表面殘余應力增大,且最大殘余應力的位置距工件表面距離h發生改變。因此,多工步加工過程中,必須合理設置切削速度以獲得理想的殘余應力分布。

3.2 進給量對殘余應力分布影響

為探究進給量對殘余應力的影響規律,設切削速度v=30m/min,背吃刀量ap=0.7mm、進給量分別為0.02mm/r,0.04mm/r,0.06mm/r,0.08mm/r。按照前文所述殘余應力提取方法,得到不同進給量作用下已加工表面中點位置殘余應力沿距離h的分布,如圖7所示,圖7a和圖7b分別表示第一工步和第二工步切削后的結果。同時,為了直觀地分析數據,表4給出了不同進給量作用下已加工表面中點位置殘余應力分布(0～0.5mm)的具體數值。

(a)第一工步

表4 已加工表面中點位置殘余應力的分布值(0～0.5mm)

由圖7可知,在不同進給量條件下,殘余應力的分布趨勢趨于一致,即隨著h增大,壓應力先增大到極大值(或拉應力先減小到極小值),隨后減小到極小值(或拉應力增大到極大值),最后殘余應力趨近于0。從圖7a和表4可知,當h為0～0.1mm時,隨著進給量增加,殘余壓應力有增大的趨勢。然而,當h在0.1～0.5mm范圍內,殘余拉應力卻會隨著進給量的增加而有增大的趨勢。這是由于進給量的增加會導致切削力和切削溫度同時增大,而切削力在淺表層產生的機械應力對殘余應力影響較大,因此出現h在0～0.1mm范圍內殘余壓應力增大的現象。隨著h不斷增大,機械應力對殘余應力的影響逐漸變小,切削熱對殘余應力的影響逐漸起主導作用,因此出現0.1～0.5mm范圍內殘余拉應力增大的現象。

然而,從圖7b和表4可知,第二工步切削后的殘余壓應力在0～0.1mm范圍內暫無上述規律可循,而0.1～0.5mm范圍內的殘余拉應力趨勢同上所述。從圖7和表4中還可以發現,在相同進給量條件下,第二工步所引起的殘余應力一般都會大于第一工步(極少數情況不滿足此結論,可能是由于第二工步切削時極其復雜的初始條件所導致)。眾所周知,壓縮塑性應變會產生殘余拉應力,多工步切削中,第二工步相對于第一工步產生的壓縮塑性應變更小,即殘余拉應力更小(殘余壓應力更大)。

4 正交試驗與分析

4.1 不同工藝仿真正交試驗方案

選擇L9(34)正交試驗方案(切削速度、進給量、背吃刀量的三因素三水平的多工步切削正交試驗),如表5所示,各變量取值范圍為:切削速度30～80m/min,進給量0.02～0.10mm/r,背吃刀量0.1～0.7mm。每組試驗可得出一組連續切削后工件表面下最大殘余應力值,表6為正交試驗結果。

表5 正交試驗

表6 正交試驗殘余應力結果

4.2 極差分析

采用極差分析[11]可以讓切削速度、進給量和背吃刀量對殘余應力影響的多變量問題轉變為簡單的單變量問題,由極差分析表繪制各因素對殘余應力的影響趨勢,如圖8所示?？芍?當切削速度或進給量增大時,最大殘余壓應力單調增加;當背吃刀量增加時,殘余壓應力單調降低。因此,為了降低多工步切削時工件中的殘余應力,建議參數設置為:切削速度30m/min,進給量0.02mm/r,背吃刀量0.7mm。

圖8 切削參數對殘余應力(第二工步)的影響

5 刀具涂層對多工步切削過程殘余應力影響

在實際多工步切削應用中,為了減少刀具磨損,增加刀具壽命,刀具往往會覆上涂層,因此有必要討論刀具涂層對多工步切削過程殘余應力影響。TiN作為常見的二元涂層之一,具有較小的摩擦因數及良好的抗磨蝕性能,能夠減少刀具的磨損進而延長刀具的使用壽命。TiAlN涂層是目前廣泛應用的一種三元硬質涂層,具有良好的硬度、耐磨性、化學穩定性和抗高溫氧化性能[12]。因此,本文以TiN和TiAlN涂層為例進行分析。

為探究不同進給量情況下二元涂層和三元涂層對殘余應力的影響,調整工藝參數為:刀具涂覆0.001mm的TiN涂層或涂覆0.001mm的TiAlN涂層;進給量分別為0.04mm/r,0.06mm/r,0.08mm/r,0.10mm/r,所得結果如圖9和圖10所示。

(a)第一工步

(a)第一工步

與圖7相比,圖9和圖10雖然整體趨勢大體一致,但涂層會引起殘余應力發生不同的變化:由圖9a和圖10a可知,第一工步切削作用時,不管是TiN涂層還是TiAlN涂層,都會導致某些殘余應力沿h發生上下波動。而整體來看,不管有無涂層,加工工件表層的最大殘余壓應力深度均在0.045～0.075mm,次表層的最大殘余拉應力深度均在0.2～0.25mm,因此,涂層的改變對最大殘余應力的位置影響較小。

圖11為無涂層、TiN涂層和TiAlN涂層情況下最大殘余壓應力隨進給量fc的變化曲線。由圖11a可知,已加工表面殘余壓應力由大到小排列順序為TiAlN>TiN>無涂層。出現這種情況的原因是:相對于無涂層刀具,TiN、TiAlN涂層刀具及工件中都含有Ti元素,切削過程中彼此間Ti的親和性會導致工件與刀具之間發生嚴重的黏著磨損和擴散磨損,這將產生極高的切削力和切削熱,從而在機械應力的影響下導致殘余壓應力增大[13]。第一工步切削完成后,三者的最大殘余應力趨勢大致相同,即隨著進給量增加,最大殘余壓應力均增大,這是由于進給量的增加導致機械載荷作用增強,進而導致工件的最大殘余應力值增大。當進給量為0.08mm/r時,TiAlN涂層情況下,最大殘余壓應力達到極值;而無涂層和TiN涂層情況下,最大殘余壓應力在進給量為0.1mm/r時達到極值。由圖11b可知,已加工表面殘余壓應力由大到小排列順序為TiAlN>無涂層>TiN。第二工步切削完成后,無涂層和TiAlN涂層情況下,最大殘余壓應力隨進給量增加而逐漸增大,當進給量為0.06mm/r時最大殘余壓應力達到極大值,之后逐漸減小;而TiN涂層情況下,隨著進給量增加,最大殘余壓應力無明顯規律可循。

(a)第一工步

6 結語

基于AdvantEdge軟件對Ti6Al4V合金多工步切削加工進行有限元分析,以工件已加工表面的殘余應力為研究對象,分析了切削速度、進給量以及涂層對殘余應力的影響,得出以下結論:最大殘余應力會隨著切削速度和進給量的增加而增大;根據正交試驗和極差分析的結果發現,切削速度和進給量會對殘余應力產生較大的影響;TiN或TiAlN涂層的加入會導致最大殘余壓應力增加,TiN或TiAlN涂層的加入對最大殘余應力的位置影響較小。