超聲振動銑削加工切削溫度有限元仿真研究

王明海，李世永，鄭耀輝，王京剛，高 蕾

WANG Ming-hai,LI Shi-yong,ZHENG Yao-hui,WANG Jing-gang,GAO Lei

(沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136)

0 引言

鈦合金材料的比強度高、耐高溫特性使其在航空航天領域應用廣泛，然而該材料的化學活性高、導熱性差及摩擦系數(shù)大特點使其在加工中切削溫度較高，刀具磨損嚴重。超聲振動輔助切削是一種施加刀具或工件超聲振動，使刀具與切削層超聲頻接觸和分離的斷續(xù)切削加工方法。國內(nèi)外學者研究表明，施加超聲振動后會明顯改善難加工材料加工性，減弱刀具磨損，延長刀具壽命[1～3]，降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量[4,5]。

切削溫度作為衡量切削加工性重要參數(shù)，通過研究切削溫度優(yōu)化加工參數(shù)顯得尤其重要。目前，切削溫度的研究方法有試驗法、解析法和數(shù)值法三種[6]。試驗法可測得某點的平均溫度，但無法測量瞬時溫度場；解析法計算過程復雜且是基于多種假設條件，計算結(jié)果與實際值誤差較大；以有限元為代表的數(shù)值法不僅能大大節(jié)省試驗成本，而且能方便獲得切削區(qū)溫度場。隨著計算機運算速度和有限元技術的發(fā)展，利用有限元仿真對切削溫度場進行研究逐漸成為一種重要方法，Armendia[7]利用有限元技術研究了銑削加工Ti6A14V和AISI 4140的不同速度條件對切削區(qū)溫度的影響，王懷峰[8]建立了三維車削有限元模型，分析了刀具及工件的切削熱分布情況。

盡管超聲振動切削難加工材料具有諸多優(yōu)勢，但關于振動參數(shù)和切削用量對切削加工影響的進一步研究卻很少。本文以Ti6A14V為工件材料，應用有限元技術計算了有無超聲振動條件的銑削加工刀具溫度場，并深入研究了加工參數(shù)（振動頻率f、振幅A、銑削速度V和每齒進給量fz）對刀具溫度場的影響規(guī)律。

1 溫度場控制理論與有限元模型

1.1 溫度場有限元控制方程

切削溫度表現(xiàn)為切削熱產(chǎn)生、工件熱傳導以及與周圍空氣熱對流的綜合結(jié)果。金屬切削加工產(chǎn)生的熱量主要有工件塑性變形熱、刀具前刀面與切屑以及刀具后刀面與加工面的摩擦熱。塑性變形功引起的溫升ΔQs可用式(1)表示：

式中：f1為塑性變形功轉(zhuǎn)換為熱的系數(shù)，為等效應力，為等效應變率，Δt為時間間隔，r為密度，c為比熱容

摩擦功引起的溫升ΔQm用式(2)表示，

式中： f2為摩擦功轉(zhuǎn)換為熱的系數(shù)，ts為摩擦面上剪切應力，為刀屑間相對滑移速度

計算物體內(nèi)部的溫度分布，需要建立熱傳導方程以及解決初始條件與邊界條件[9]。對于熱傳導方程，假定工件材料導熱各向同性，控制溫度的能量平衡方程包括熱傳導率、內(nèi)能熱率和塑性變形熱能率三部分，可用式(3)表示。

關于初始條件，工件開始變形時溫度用式(4)表示：

式中：Γa+Γb+Γc=Γ，其中Γ為空間域的所有邊界。

因此，求解溫度分布問題就是在給定的初始條件下，基于設定的邊界條件計算熱傳導方程。

1.2 超聲振動銑削模型的建立

基于ABAQUS/Exp1icit求解器建立的超聲銑削Ti6A14V材料有限元模型如圖1所示。表1為所用立銑刀的規(guī)格，將銑刀約束為剛體，設置工件材料的物理屬性為基于溫度變化屬性。設置分析步為完全熱力耦合分析步，為減少計算成本，分析步時間為0.45s。設置刀具、工件和周圍環(huán)境的初始溫度為20℃，并通過Interaction模塊對刀具-工件間的熱傳導以及刀具與周圍環(huán)境的熱對流進行設置。銑削仿真加工條件如下：銑刀繞Z軸方向轉(zhuǎn)動并沿Y軸正方向移動，工件沿X軸方向超聲振動；軸向切深ap=2mm，徑向切寬ae=0.5mm，其余加工參數(shù)見下文。

表1 立銑刀參數(shù)

圖1 銑削有限元模型

2 有限元仿真結(jié)果與分析

2.1 刀具溫度場分布

銑削參數(shù)V=30m/min、fz=50μm/z時，計算了有無超聲振動(f=20kHz、A=10μm)條件的銑削加工溫度場變化，圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別為時間t=0.15s/0.3s/0.45s時的銑刀溫度場。從圖2看出，振動銑削的刀具溫度明顯低于傳統(tǒng)銑削刀具溫度，這主要因為振動銑削的刀屑分離特性有利于熱量的散失，減少了熱量累積，以及文獻[10]證明振動銑削時平均摩擦系數(shù)會降低，這樣就會減少摩擦熱。還可看出，隨著t增大，累積的熱量使得刀尖局部溫度上升，說明產(chǎn)生熱量多于散失熱量。

圖2 銑削加工的刀具溫度場

2.2 不同參數(shù)條件時的刀具溫度

加工參數(shù)(V=30m/min,fz=50μm/z,A=10μm)不變時，對不同振動頻率的銑削加工進行了仿真。為減小溫度值誤差，取分析步時間的刀尖每個轉(zhuǎn)動周期中峰值溫度的平均值作為刀尖平均溫度T，不同頻率對T值的影響規(guī)律如圖3所示。從圖3得知，施加振動條件后T值明顯減小，并且頻率由20kHz向60kHz升高時，T值出現(xiàn)先減小后增大趨勢。原因可能是升高頻率一方面會降低凈切削時間比，這有利于熱量的散失，另一方面會增多刀具與工件的摩擦次數(shù)，摩擦熱會增多，圖3中T值趨勢的改變說明對應的主導原因發(fā)生了改變。

圖3 不同振動頻率對切削溫度的影響

加工參數(shù)(V=30m/min,fz=50μm/z,f=20kHz)不變時，不同振幅對T值的影響規(guī)律如圖4所示?？煽闯鲭S著振幅增大，溫度T有降低趨勢，而且當A＜15μm時溫度T的降低幅度較大，當A＞15μm時T值變化不大。這可能因為增大振幅使得凈切削時間比減小，刀具-工件的分離效應顯著，斷續(xù)切削方式有利于熱量的散失，進一步增大振幅后，增大的銑刀后刀面與加工面摩擦位移導致摩擦熱增多，綜合結(jié)果T值變化不再明顯。

圖4 不同振幅對切削溫度的影響

每齒進給量fz=50μm/z時，有無超聲振動(f=20kHz,A=10μm)銑削的V對T影響規(guī)律如圖5所示。對于振動銑削，V由30m/min增大至50m/min時，溫度T緩慢上升，而當V＞50m/min時，T上升幅度明顯增大。根據(jù)振動切削理論，臨界切削速度VC=2πfA，因此可得VC=75m/min，即V≥75m/min時分離式切削方式完全變?yōu)檫B續(xù)切削方式。當V＞50m/min時，振動切削的刀屑分離位移會明顯減少，大大減弱振動切削優(yōu)越性，這與文獻[11]研究結(jié)論一致；當V≥75m/min時，連續(xù)切削方式致使振動輔助切削優(yōu)勢非常微弱，所以振動銑削的T值接近傳統(tǒng)銑削T值。

圖5 不同銑削速度對切削溫度的影響

銑削速度V=30m/min時，有無超聲振動(f=20kHz,A=10μm)銑削的fz對T影響規(guī)律如圖6所示。由圖6看出，振動銑削與傳統(tǒng)銑削都是溫度T隨著fz的增大而升高，并從仿真結(jié)果看出振動銑削的刀尖溫度比傳統(tǒng)銑削刀尖溫度低30℃左右。

圖6 不同每齒進給量對切削溫度的影響

3 結(jié)論

基于溫度場有限元仿真，得出結(jié)論：1)對比傳統(tǒng)銑削加工，超聲振動銑削時刀具溫度明顯降低。2)增大振動頻率有利于降低刀具溫度，但頻率過大反而因為摩擦熱的增多導致刀具溫度升高；增大振幅使得刀具-工件分離效應顯著，因此能降低刀具溫度。3)升高銑削速度后凈切削時間比增大，散熱時間的減少使得刀具溫度呈現(xiàn)上升趨勢，當銑削速度增大至80m/min時，刀具溫度接近傳統(tǒng)銑削刀具溫度；增大進給量，振動銑削的刀具溫度為上升趨勢。

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