組合微織構刀具切削鈦合金仿真研究

陳興媚，祁志旭，劉洋，王利

（廣東理工學院智能制造學院，廣東 肇慶 526114）

0 引言

鈦合金因其高強度、低密度和耐腐蝕等特點被廣泛應用于各領域的輕量化研究之中[1]。然而鈦合金的難加工性很大程度上限制了鈦合金材料的應用與發展，發展低成本的鈦合金制件加工技術，提升鈦合金材料的利用率是目前的研究熱點之一[2]。切削成形作為金屬制品減材制造的代表，目前已被廣泛應用于鈦合金材料成形，但同時也面臨一些問題，比如切削刀具的劇烈磨損導致其有效使用壽命降低和切削溫度集中導致鈦合金工件表面質量較低等。研究表明，通過對刀具結構和切削工藝的優化以及刀具表面改性處理能夠很明顯地改善在切削鈦合金過程中所面臨的問題，其中刀具微織構化是刀具表面改性處理的典型代表[3]。

研究者在微織構刀具的研究上，從微織構的形貌、結構參數等方面均取得了一些研究成果。宋雙柱等[5]對微織構球頭銑刀銑削鈦合金進行了模擬仿真，以微槽織構的距刃距離、織構寬度、刃口半徑和織構間距為變量設計正交試驗，研究微織構參數對鈦合金切削過程中切削力和切削溫度的影響，并通過遺傳算法得到了微溝槽織構的最佳織構參數組合，有效提升了球頭銑刀的切削性能。張雁等[6]在有限元軟件中建立了微槽織構刀具切削鈦合金材料過程中刀具的連續磨損模型，并且分析了不同形貌的微織構刀具對刀具磨損的影響，結果表明，微織構的形貌和位置對刀具的磨損有嚴重影響，同時刀具表面溫度是影響月牙洼磨損的關鍵因素。劉偉等[7]在硬質合金刀具表面分別制備了半圓凹型、半圓凸型和梯形槽微織構，探究微織構的織構間距、凹坑直徑或凹槽寬度及微織構的覆蓋長度的變化對刀具切削過程中的切削力、切削溫度和磨損程度的影響，研究結果表明，梯形凹槽織構具有更小的切削力，半圓凸型微織構具有更低的切削溫度和更好的抗磨損性能；并且在刀屑接觸范圍內，微織構覆蓋長度越長越有助于刀具性能的提升。

目前，微織構刀具的研究多數集中在單一形貌的微織構及其結構尺寸對鈦合金切削的影響方面，同時也有一些學者將目光放在了組合微織構設計與研究方面，楊澤檀[8]在對刀具表面織構化的研究中分別設計了上下型和左右型的4種微坑-凹槽組合微織構刀具，研究結果表明，兩種左右型微坑-凹槽織構刀具的切削力明顯低于單一織構的凹坑型微織構刀具，其中左右型微坑-平行凹槽織構刀具的切屑厚度最小，剪切角度更大，表現出更好的切削性能?？梢钥闯鼋M合微織構刀具比單一形貌的微織構刀具具有更好的切削性能，但微織構組合的形式較為單一，僅僅只是對織構形貌的簡單排布，并沒有考慮不同微織構形貌的交互作用。

考慮到微織構形貌在切削過程中的交互作用，文章將凹坑織構復合于凹槽織構之中，形成新型微坑-微槽組合微織構刀具，并構建正交切削模型，如圖1所示。以刀具前角、切削速度和背吃刀量作為因素變量，設計正交切削試驗，研究因素水平變化對刀具主切削力的影響規律，以期為組合微織構刀具切削提供理論依據。

圖1 正交切削模型

1 建立有限元模型

1.1 切削幾何模型的建立

傳統切削是以工件旋轉刀具進給的方式實現工件材料的去除，若建立完整的切削模型進行仿真試驗，則會出現部分無效模型參與模擬計算，大大延長模擬計算的時間和準確性。為提高模擬計算的效率和準確性，本次試驗選取切削模型的部分切削區域進行模擬，刀具尺寸為2 mm×1 mm×0.5 mm，工件尺寸為3 mm×1 mm×1 mm。將切削方式轉化為以工件固定、刀具直線運動來實現對鈦合金材料的切削。具體模型如圖1所示，圖中A向視圖為微坑-微槽結構示意圖。刀具與工件模型由SolidWorks軟件制作并完成背吃刀量和前角角度參數的設定，將制作完成的模型轉化為.STL格式導入DEFORM-3D軟件中。

1.2 幾何模型的網格劃分

在完成對切削幾何模型的建立后，還需進一步對刀具和工件進行網格劃分。對微織構刀具和工件的網格劃分均采用相對劃分的方式，單元格類型均采用四面體單元。其中在對刀具網格劃分過程中為體現微織構的形貌特征，以保證能夠得到微織構參與切削后的試驗結果，需要對刀具表面微織構刀具進行局部網格細化處理。同時，為保證工件切屑形成的流暢性，亦需要對工件表面切削區域做相同的細化處理。刀具的網格及細化區域如圖2所示，工件的網格及細化區域如圖3所示。

圖2 刀具網格劃分

圖3 工件網格劃分

1.3 材料屬性及邊界條件

模擬具體的切削環境，還需要確定具體的工件及刀具的材料屬性。一般材料在DEFORM-3D材料庫中可以選擇，若材料庫中沒有相關的材料數據，則可以通過自定義的方式輸入。模擬之前將微織構刀具材料定義為YG8硬質合金材料，可直接在材料庫中選擇；工件材料選用鈦合金TC4，需通過自定義的方式錄入材料庫。一般對于切削模擬試驗是采用Johnson-Cook模型來描述材料的應力-應變關系，鈦合金TC4的Johnson-Cook模型[7]為

式中：σ為等效應力，ε為應變，ε˙為應變速率，T為溫度。

將式（1）錄入材料庫，并選用即可。在模擬之前還需對刀具和工件設置邊界約束條件，使得刀具能夠按照預定的方向實現對工件的切削。對于工件需要約束其X、Y、Z三個方向的運動和轉動，以固定工件的位置；刀具沿-Z方向移動，實現切削。在切削過程中，刀具和工件之間由于材料的變形和摩擦會產生大量的切削熱，影響刀具的磨損、工件的形狀及尺寸精度，為更準確地模擬切削過程，需要定義工件和刀具的散熱面，由于本模型為切削模型的一部分，故散熱面的定義不能為刀具和工件的整個外表面，應為刀具的微織構表面和后刀面、工件的切削上表面和與刀具緊挨的側面，具體如圖4所示。

圖4 刀具散熱面和工件散熱面

1.4 仿真參數設計

模擬以刀具前角、刀具切削速度和背吃刀量為因素，每個因素取3個水平設計了正交試驗，采用L9（34）正交實驗表為依據進行設計，建立了9個組合微織構刀具切削模型，分別置入DEFORM-3D中進行仿真，因素水平表如表1所示。

表1 仿真因素水平表

2 仿真結果分析與優化

2.1 切削力仿真結果分析

完成了對各因素值下的切削模擬試驗，以刀具前角γ0＝5°、切削速度v=120 m/min、背吃刀量a=0.1 mm模擬參數為例，在DEFORM-3D計算結果中提取切削力隨時間的變化關系，如圖5所示?？梢钥闯?，在切削加工開始時切削力迅速上升，而后趨于平穩，且穩態切削過程中切削力在相對穩定的范圍內上下波動。切削力出現這種變化主要是因為刀具開始切入工件，刀具切削刃與工件表面進行擠壓，使得切削力迅速上升，隨著切削的持續進行，切屑發生卷曲，切屑與前刀面接觸面積相對穩定，材料變形抗力變化不大，使得切削力維持在一定范圍，實現穩態切削。之所以切削力會出現小范圍的上下波動，主要是由于切屑的卷曲、斷裂和分離在不斷重復地進行。

圖5 切削力變化曲線

圖6顯示了不同因素水平下的平均主切削力的大小。從圖中可以看出，試驗號為Z-01、Z-06和Z-08的切削力較小，Z-03的切削力最大。結合表2中各試驗具體參數，可以看出切削力對背吃刀量的大小較為敏感，刀具前角和切削速度對切削力的影響需進一步以切削力為指標對試驗結果進行極差分析得到，極差分析結果如表2所示。

圖6 各因素下的平均主切削力

從表3中可以看出，通過對極差R 值的分析能夠得知，背吃刀量對切削力的影響最大，刀具前角其次，切削速度對切削力的影響程度最小，由此可知，在以最小切削力為評價指標時應首先考慮背吃刀量取值。組合微織構刀具切削鈦合金時參數的最優組合為：刀具前角為10°，切削速度為60 m/min，背吃刀量為0.1 mm。

圖7為各因素水平對切削力的影響變化趨勢，從圖中可以看出，刀具前角的增大使得切削力逐漸降低，隨著切削速度的增大，切削力呈現先增加、后降低的變化趨勢，而隨著背吃刀量的增加，切削力逐漸增加。這是由于微織構刀具前角的增加，更加有利于切削過程中切屑的卷曲，進而減小了刀-屑界面的接觸面積，使得切削力減??；切削速度的增加使得單位時間切除的鈦合金材料增多，使得切削力增加，但隨著切削速度的持續增加，刀-屑界面的摩擦因數減小，材料的變形系數減小，使得切削力下降；而背吃刀量的增加會使得刀具單位時間內切除的鈦合金材料持續增加，故切削力持續增加。

圖7 試驗因素對切削力的影響

2.2 仿真切削過程中切屑形態分析

圖8反映了在切削過程中切屑的形態。由圖8可以看出，在微織構刀具切削鈦合金過程中，隨著切削的持續，切屑發生了不同程度的卷曲，在背吃刀量為0.3 mm時，切屑的卷曲形態較好，但當背吃刀量增加至0.5 mm時，切屑的卷曲程度降低，微織構刀具對切屑的卷曲作用減弱?？傮w來說圖中試驗號Z-01、Z-04、Z-06、Z-09切屑形態卷曲程度較好，更加有利于在實際切削過程中切屑的卷曲、斷裂和脫落，而Z-03、Z-05、Z-07則因背吃刀量的增加，切屑均顯示了較差的卷曲形態。從圖中還可以看出，在不同背吃刀量的條件下，當背吃刀量為0.1 mm時，刀具前角對切屑形態的作用較小，而在被吃刀量為0.3 mm和0.5 mm時，隨著刀具前角的增大，切屑的形態均有不同程度的改善。

圖8 各參數下的切屑形態

3 結語

本文研究了刀具前角、切削速度和背吃刀量對鈦合金切削過程中切削力的影響，根據正交試驗結果進行以切削力為指標的極差分析，得到以下結論：

1）各參數對切削力的影響主次順序為背吃刀量＞刀具前角＞切削速度，在以切削力為評價指標時，應首先考慮背吃刀量的選??；同時，若以最小切削力為評價標準時，其最優組合為：刀具前角為10°，切削速度為60 m/min，背吃刀量為0.1 mm。

2）在試驗中，刀具前角的增大使得切削力逐漸降低，切削速度的增大切削力呈現先增加、后降低的變化趨勢，而隨著背吃刀量的增加，切削力逐漸增加。

3）微織構刀具在切削背吃刀量小于0.3 mm的工件時表現出了較好的切屑卷曲特性，同時在不同背吃刀量的條件下，刀具前角對切屑形態的影響較為明顯。