鈦合金TC4高速切削的溫度場分析及刀具磨損研究

胡木林

（合肥職業技術學院，安徽 巢湖 238000）

鈦合金TC4高速切削的溫度場分析及刀具磨損研究

胡木林

（合肥職業技術學院，安徽 巢湖 238000）

鈦合金因導熱系數小，在高速切削時，“刀具—切屑”接觸區積聚大量的切削熱，切削區溫度較高，嚴重影響工件的加工精度、表面加工質量和刀具使用壽命。因此，分析并研究鈦合金切削過程中切削區溫度場的分布規律以及刀具的磨損狀況，有利于提高工件的加工質量、刀具的使用壽命和生產效率。借助于Deform-3D有限元工藝分析軟件，對硬質合金刀具切削鈦合金進行了仿真分析，得出在切削速度較高，進給量和背吃刀量較低的切削條件下，刀具使用壽命較長。

鈦合金；切削；溫度；刀具磨損

鈦合金因具有強度高、耐熱性能好（500℃強度不變）、耐腐蝕性好、耐低溫性好（-253℃塑性不變）等優點，在航空、海洋、軍工、醫療等領域被大量使用[1]。高速切削也因切削效率高、加工質量高、經濟性好等特點，發展成為集高效、優質和低耗于一體的先進制造工藝技術，是機械加工技術的重要發展方向[2]。目前，廣泛認為鈦合金在切削時，當切削速度超過60 m/min時就為高速切削[3]。但由于鈦合金的化學活性高，導熱性能差等特點，使得在高速切削時切削溫度達到800℃以上[4]。當切削溫度達到一定值時，刀具極易產生粘結磨損和擴散磨損，最終導致刀具失效，影響切削加工[5]。研究鈦合金高速切削時切削用量如何影響切削區溫度場的分布規律、刀具的磨損規律，對提高刀具使用壽命，改善工件加工質量，提高機械加工生產效率具有重要的意義，因此，鈦合金高速切削加工已經成為國內外研究的熱點問題。例如，劉戰強等[6]對TC4鈦合金的高速車削進行了研究，詳細分析了PCBN刀具的磨損及使用壽命情況；武導俠等[7]對TC4鈦合金高速銑削進行了研究，得出不同銑削參數對銑削力的影響規律；姜增輝等[8]對硬質合金刀具切削TC4鈦合金的磨損規律進行了研究；F.Shao等[9]分別利用有限元法和試驗對切削鈦合金的溫度進行了研究。總之，鈦合金的切削過程中，同時對其切削溫度場的變化規律和刀具磨損變化規律進行研究的比較少。利用測量金屬切削溫度的常規方法和通過車床實際加工測量刀具磨損程度均難以獲得精確數值，而有限元仿真軟件不僅計算精度高，特別是能夠解決利用常規實驗難以分析獲得的物理規律，是一種極為常用的工程分析手段。本文將基于Deform-3D仿真軟件對硬質合金刀具車削鈦合金時溫度場的變化規律及刀具的磨損規律進行分析研究。

1 切削溫度理論模型的建立

1.1 熱傳導模型的建立

金屬切削加工中會產生大量的切削熱，切削熱主要是由切屑與前刀面之間摩擦做功和切削層發生變形所消耗的變形做功所產生，因此“刀—屑”切削區的溫度會迅速上升，根據二維矩陣切削的熱傳導偏微分方程[10]：

式中：λ—熱導率，T—溫度，ρ—材料密度，C—熱容，x、y——坐標值，u，v-運動源在x和y方向的速度分量；-單位體積熱產生率。單位體積熱產生率可以根據公式（2）求出[11]。

式中：M—熱功當量，Wh—塑性變形功轉化為熱量的比率，ρ—密度，—塑性變形功產生率。

刀具的前刀面與切屑、后刀面與已知加工表面之間的摩擦熱方程為：

式中：Ft—接觸界面的摩擦力，vr—兩接觸面的相對滑動速度

刀具與工件的對流散熱方程[12]為 ：

式中h—表面對流散熱系數，h取0.4N/s.mm.℃。Tw—刀具與工件表面的溫度，T0—環境溫度取20℃。

1.2 材料模型的建立

目前熱—粘塑性模型主要有Follansbee—Kocks、Bodner—Paton、Johnson—Cook、Zerrilli—Armstrong等模型，其中Johnson—Cook模型是一種適用于各種晶體結構的大應變、高應變速率、高溫變形的本構模型，另外，TC4的組織類型為馬氏體α+β態，綜合考慮選擇Johnson—Cook模型為本構模型，其本構方程式[13]為：

式中：A—準靜態下屈服強度；B—應變硬化系數；n—應變硬化指數；m—溫度敏感系數；Tr—參考熱力學溫度；Tm—材料熔點溫度；ε—為應變；—應變率；ε0—參考應變率。

TC4的Johnson—Cook材料模型中的5個材料特性常數[14]如表1所示。

表1 材料模型中的5個材料特性常數

1.3 刀具磨損率模型

TC4在切削過程中，刀具的磨損方式和磨損程度直接受切削溫度的影響，通常有粘結磨損、磨粒磨損和擴散磨損構成。故刀具的總磨損[15]為：

式中：W—總磨損量（mm）；Wτ—磨粒磨損量（mm）；Wα—粘結磨損量（mm）；Wd—擴散磨損量（mm）；L—切削距離（mm）；σα—應力大小（MPa）；t—切削時間（s）；T—切削溫度（K）。

其中：

式中：G—材料磨粒磨損特性常數；σt—刀具與切削面間正應力（MPa）；A、B—材料粘結磨損特性常數；D—材料擴散磨損特性常數（mm/s），是溫度有關的函數D（T）=aT3+bT2+cT+d；E—擴散化學能（KJ/mol）；R—氣體常數。

綜上可得，磨損率式為：

刀具磨損率模型中的參數如下表2。

表2 刀具磨損率模型中的參數

1.4 Deform-3D模型的建立

Deform-3D適用于零件制造等金屬成形工藝設計過程的模擬，應用效果成熟可靠。仿真基本參數設置見表3，刀具設定見表4，工件設定見表5。仿真模擬條件為每25步存儲一次，總步數1000步，切削終止角度為20度。

表3 基本參數設置

表4 刀具設定

表5 工件設定

2 切削用量對切削溫度的影響

2.1 切削速度對切削溫度的影響

在切削過程中，為研究高速切削過程中切削速度對切削溫度的影響程度，現設定進給量f=0.3 mm/rev，背吃刀量αp=0.8 mm；在固定的進給量和背吃刀量下，依次調整選取切削速度為20 m/min、60 m/min、100 m/min、180 m/min、240 m/min等5種的速度條件進行仿真切削，其切削速度為60 m/min、100 m/min、180 m/min、240 m/min切削溫度仿真圖（如圖1示）。在切削過程中，最高溫度均發生在前刀面與切屑的底面接觸處（如圖2示）。

圖1 不同切削速度溫度仿真圖

圖2 工件最高切削溫度的分布

通過仿真得到一系列數據，選取前400步的數據，利用辦公軟件處理后繪制出切削溫度平均值T隨切削速度νc的變化曲線圖（如圖3）。從圖3可以看出，當切削速度νc介于20 m/min—100 m/min的低速切削階段時，切削溫度的變化比較明顯，隨切削速度νc的增加上升較快；當切削速度νc＞100 m/min時，切削溫度變化較為緩慢，隨著切削速度νc的增加逐漸趨于穩態。低速切削時，刀具與切屑之間產生較大的摩擦力和切屑剪切滑移力，切削力做功較大，此時單位時間內產生的切削熱相應增多，故切削溫度較高。隨切削速度νc的進一步提高，切屑帶走的熱量增多，刀具與切屑之間的切削區溫度升高幅度緩慢。另外，隨著νc的不斷提高，切削溫度的軟化效應開始成為主導地位，摩擦系數μ開始逐漸減小，剪切角Φ開始逐漸增大，切屑變形程度ξ開始逐漸減小，切屑剪切滑移力逐漸降低。同時在高溫切削區的前刀面與切屑接觸處產生一層極薄的微熔金屬液體，大幅度減少摩擦，盡管切削溫度T隨著切削速度νc的增加而增加，但增幅變緩。

2.2 進給量f對切削溫度的影響

為研究高速切削TC4時，進給量f對切削溫度的影響，設定切削速度νc=100 m/min，背吃刀量αp= 0.8 mm，依次選取進給量f為0.1 mm/rev、0.5 mm/rev、0.8 mm/rev、1.5 mm/rev等四種情況進行仿真切削。其進給量f為0.1 mm/rev、0.5 mm/rev、0.8 mm/rev、1.5 mm/rev切削溫度仿真圖（如圖4示），同樣利用辦公軟件處理仿真數據后，繪制出切削溫度平均值T隨進給量f的變化曲線圖（如圖5），由圖5可看出，隨著進給量f不斷增大，切削溫度逐漸增大，但是的變化幅度較為緩和。這是由于隨著進給量f不斷增大，切削熱隨金屬切除率增加也增多，切削溫度自然上升。但單位切削面積的熱量卻隨進給量f增大反而減少，切屑層變厚，切屑單位長度質量增大，切屑帶走的熱量多，而且前刀面與切屑的接觸區域增大，有利于散熱，切削區的平均溫度上升較緩慢。因此，進給量f對切削溫度影響幅度沒有切削速度νc對切削溫度影響明顯。

圖4 不同進給量下溫度仿真圖

圖5 切削溫度f—T變化曲線圖

圖7 切削溫度αp—T變化曲線

2.3 背吃刀量ap對切削溫度的影響

為研究高速切削TC4時，背吃刀量αp對切削溫度的影響，選定νc=100 m/min，f=0.3 mm/rev保持不變，依次選取αp分別為0.3 mm、0.8 mm、1.5 mm、2 mm模擬仿真切削。切削仿真圖如圖6所示，記錄處理仿真數據后，繪制出切削溫度平均值T隨進給量αp的變化曲線圖（如圖7）由圖可以看出，αp在0.2 mm—1.5 mm之間時，溫度T上升的速度較快，αp在1.5 mm—2.0 mm之間時，溫度T上升的速度較慢，最終在小范圍內波動。其現象的理論原因是在切削的開始，隨著切削厚度αp增大，切削力呈線性增大，切削力做功增大，故切削熱也呈正比例增多，切削溫度上升明顯。但當繼續增加切削厚度αp時，溫升會使切削鈦合金平均摩擦系數μ減小、切削變形程度ξ減小、剪應力下降的同時使得鈦合金的比熱容、導熱系數上升，進一步改善了散熱條件，此時切屑、工件、刀具帶走的熱量增多，整體上使得切削溫度趨于平穩。

圖6 不同被吃刀量溫度仿真圖

圖8 Vc=100 mm/min f=0.3 mm/rev ap=0.8 mm工件、刀具溫度與應變

3 高速切削刀具磨損分析

3.1 溫度場分布

為充分研究鈦合金TC4高速切削的溫度場分析及刀具磨損研究，截取νc=100 m/min、f=0.3 mm/rev、αp=0.8 mm高速切削TC4時“刀—屑”切削區的溫度分布圖（如圖8）。工件表面的最高切削溫度達到8 00℃以上，刀具的最高切削溫度達到236℃。圖8（c）是切削進入穩態后工件等效應變分布圖，從圖中可以看出在主變形區出現塑性等效應變，而且沿著絕熱剪切帶附近分布。可以看出切屑在“刀—屑”接觸界面處即將離開前刀面的位置（圖中C點）等效應變最大，而且應變梯度高，基本與溫度場分布類似。

3.2 溫度對刀具磨損的影響

切削TC4鈦合金時刀具的磨損主要有粘結磨損、磨粒磨損和擴散磨損構成，有時也會發生一些相變磨損和氧化磨損等[16]。在用硬質合金刀具切削TC4鈦合金過程中，一旦切削溫度太高,就會使得前刀面月牙洼的快速磨損比后刀面的磨損深度VB更加嚴重,此時切削刃被削弱,導致刀具失效，嚴重影響刀具的壽命。

圖9 最高溫度與切削步數變化曲線

圖10 刀具磨損深度隨切削步數變化曲線

根據鈦合金的仿真切削數據。畫出切削區域最高溫度與切削步數之間的變化曲線（如圖9所示）和刀具磨損深度隨切削步數的變化曲線（如圖10所示）。有圖可知，隨著切削過程的持續，其切削區域溫度溫度不斷升高，刀具的磨損量也逐漸增大，當切削步數達到300—450時，溫度達到最大值，數值高達800度以上，當步數超過450時，溫度開始趨于穩定，刀具磨損量雖然不斷增大，但增大的趨勢也開始變緩。

3.3 切削速度對刀具磨損的影響

為分析鈦合金TC4高速切削時刀具磨損狀況，選取αp=0.5 mm，f=0.2 mm/rev，速度分別為60 m/min、100 m/min、180 m/min下的數據進行比較，根據仿真數據，整理畫出不同切削速度下刀具的磨損曲線（如圖11所示）。

圖11 不同切削速度下刀具的磨損曲線

從圖中可知，切削速度不同，對刀具的磨損影響非常明顯，當速度為60 m/min屬于較低的范圍時，刀具開始有著明顯的正常磨損階段，隨著切削的進一步進行，正常磨損后的磨損量也是平緩增加；當速度為100 m/min時，開始時也會出現正常磨損階段，當切削到一定程度以后，刀具明顯進入急劇磨損階段，直至刀具失效；當速度達到180 m/min的高速切削時，刀具正常磨損階段極短，隨后直接進入到急劇磨損階段，磨損量較大，刀具很快達到磨鈍標準，刀具失效。

4 結論

利用Deform-3D有限元軟件，對鈦合金TC4進行了仿真切削，分析了切削過程中切削用量對切削區域溫度的影響以及高速切削時刀具磨損規律，得出如下結論：

（1）在低速切削范圍內，隨著切削速度的增大，切削區域溫度上升較明顯，上升速度較快；當速度達到高速范圍時，切削溫度變化較為緩慢，逐漸趨于穩態。

（2）進給量f對切削區域溫度的影響較切削速度對切削區域溫度的影響有所減小，隨著進給量f的增大，金屬切率增大，使切削溫度上升，但f增大，切屑變厚，切屑帶走的熱量增多，綜合因素影響使得溫度上升的較為緩慢。

（3）背吃刀量αp較切削速度、進給量的影響最小。雖然背吃刀量αp增大，會引起切削區域熱量的增多，但背吃刀量αp增大也會使得由切屑、工件、刀具帶走的熱量增多，進一步改善了散熱條件，因此，切削區域溫度較平穩。

（4）切削溫度隨著連續切削而增大，在切削步數為300—450步時，溫度達到最大，且為800℃左右；若進一步切削，切削步數大于450時，溫度變化逐漸變緩，整體趨于穩定。

（5）刀具的磨損隨切削步數（切削溫度）增大而增大，在切削步數為300—450時，刀具磨損加劇；當切削步數大于450時，刀具磨損變緩。

（6）隨著切削速度的增加，硬質合金切削鈦合金刀具磨損速率快速增加。當切削速度在高速切削范圍時，刀具正常磨損階段極短，很快進入急劇磨損階段，且磨損量較大，很快達到磨鈍標準，刀具失效。

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A STUDY ON THE TEMPERATURE FIELD AND TOOL WEAR IN HIGH SPEED CUTTING OF TITANIUM ALLOY TC4

HU Mu-lin
（Hefei Vocational&Technical College,Chaohu Anhui 238000）

Due to the low thermal conductivity of titanium alloy,a large amount of cutting heat is accumulated at the contact zone of"tool－chip" in high speed cutting,and the temperature of cutting area is high.This has a serious effect on the machining accuracy of the work-piece,surface machining quality and cutting tool life.Therefore,the analysis and study of the distribution discipline of temperature field and tool wear condition in the cutting process of titanium alloy TC4 will be helpful in improving the machining quality of the work-piece,the service life of the cutting tools and the production efficiency.With the help of Deform-3D finite element analysis software,the hard alloy cutting tools’cutting titanium alloy is simulated and analyzed.The result shows that under the condition of high cutting speed,low cutting feed rate and back cutting depth,the service life of cutting tools is much longer.

Titanium alloy；Cutting；Temperature；Tool wear

TG146.4

A

1672－2868（2016）06－0072－08

責任編輯：楊松水 校對：袁宗文

2016－10－08

安徽省質量工程項目（項目編號：2013zy161）

胡木林（1982－），男，安徽舒城人。合肥職業技術學院，講師。研究方向：機械CAD/CAM。