基于鈦合金三維銑削仿真的立銑刀設計參數優化*

苗　淼

(海軍裝備部，陜西 西安 710021)

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基于鈦合金三維銑削仿真的立銑刀設計參數優化*

苗淼

(海軍裝備部，陜西 西安 710021)

以鈦合金圓角立銑刀的槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角為因子，采用正交實驗設計方法，對9種采用不同參數組合的銑刀設計方案側銑加工Ti-6Al-4V(TC4)進行了三維銑削仿真。根據仿真結果，以切削力和切削溫度為刀具性能評價指標，初步優選了3個刀具優化設計方案。通過切削實驗，將3個初選方案銑削加工TC4的切削性能與現有方案進行了對比，結果表明3個初選方案中有2個方案的性能要顯著好于現有方案，從而證明了有限元切削仿真在刀具設計優化方面有效性，并最終確定了一個最佳方案。

鈦合金；正交實驗；三維銑削仿真；切削力；立銑刀

鈦合金具有比強度和熱強度高、抗斷裂韌性好、耐腐蝕等優良特性，在航空航天、原子能、電力、化工、船舶等多個行業得到大量應用。然而，由于鈦合金的導熱系數小、化學活性高、微觀組織中存在硬質相，導致機械加工過程中切削溫度高、切削力大、加工硬化和刃口粘結磨損現象均很嚴重，刀具切削壽命較低。為了提高現有鈦合金銑刀的壽命，降低切削加工參數是一種可行的辦法，但這種方法犧牲了加工效率。顯然，另一種更有效、更有價值的方法是通過優化刀具結構設計參數，提高其切削加工性能。

隨著計算機輔助設計技術的發展，有限元切削仿真技術被大量應用于刀具切削機理研究和刀具輔助設計中。許業林等[1]基于AdvantEdge三維銑削仿真，分析了銑削TA15時切削溫度與銑削參數之間的關系，并對切削參數進行了優化。王明海等[2]基于ABQUS三維銑削仿真，建立了銑削Ti-6Al-4V時的切削速度與切削力之間的關系模型，并通過切削力實驗對模型的可靠性進行了驗證。Wyen等[3]研究了鈦合金切削加工中刃口半徑對切削力的影響。I Escamilla等[4]應用ABQUS軟件和有限元仿真方法，對銑削Ti-6Al-4V時刀具、工件的切削溫度和切削應力進行了預測。E Amini等[5]應用有限元法，結合實驗研究，探討了鈦合金Ti-6Al-4V產生塑性變形的失效機理，研究表明Ti-6Al-4V的失效總是在兩種不同晶相的邊界處發生。林琪等[6]應用AdvantEdge軟件建立了加工鈦合金Ti-6Al-4V的三維立銑模型，采用單因素實驗法分析了平頭立銑刀的螺旋角、徑向前角和刀具齒數對銑削力、單位切削能及切削溫度的影響，并根據仿真分析結果對立銑刀的設計參數進行了優化。

由于金屬切削過程的客觀復雜性和有限元仿真軟件的局限性， 目前有關鈦合金切削仿真的研究大都沒有將仿真結果與刀具結構優化切實結合起來。本文應用AdvantEdge軟件，對圓鼻銑刀銑削TC4的切削力和切削溫度進行仿真研究，根據仿真結果對刀具設計參數進行優化，并通過切削力和切削性能實驗對優化方案進行了驗證。

1　鈦合金三維切削仿真正交實驗

1.1刀具方案正交設計表

本實驗采用正交設計，利用CATIA軟件建立9種不同設計參數組合的圓角立銑刀的三維實體模型，并將模型轉換成STL格式后導入AdvantEdge軟件中進行了三維切削仿真，分析切削力和切削溫度。銑刀直徑規格為φ10 mm，采用不等齒距不等螺旋角結構，具有高抗振性，刀具涂層為AlTiN。 實驗采用L9(34)正交表，4個因子分別為槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角，9個刀具方案如表1所示。

表1　切削仿真實驗刀具方案L9(34)正交表

1.2切削仿真條件

圖1、圖2所示分別為鈦合金圓鼻銑刀的三維實體模型和網格模型。仿真中采用自適應網格劃分技術，非切削區域采用粗網格，切削區域采用加密網格，這樣既保證了仿真結果的準確性，又可以提高計算效率，減少仿真時間。

仿真時刀具涂層和工件材料分別設置為TiAlN和Ti-6Al-4V，兩者均采用AdvantEdge軟件自帶的材料本征模型。工件材料Ti-6Al-4V的其他物理參數設置如下：彈性模量E=114 GPa，泊松比μ=0.34，熱擴散系數α=9.6×10-6m2/s，熱傳導率λ=4～16 W/(m·K)，比熱容量Cp≈520 J/(kg·K)。仿真中采用側銑和順銑的加工方式，切削參數如表2所示。

表2　仿真實驗切削參數

1.3仿真結果極差分析

切削力和切削溫度是評價刀具性能的兩個重要指標。通常切削力決定切削功率，影響切削溫度和切削過程的穩定性；而切削溫度會影響刀具高溫性能，過高的溫度會加劇刀具的磨損。尤其對于鈦合金刀具來說，由于加工中易產生高溫，加工硬化現象嚴重，所以應盡量使刀具加工中的切削力小、切削溫度低，從而延緩刀具的失效。

為分析鈦合金銑刀的螺旋角、芯厚、齒間角和螺旋角對其切削性能的影響，將銑刀切削力和切削溫度進行極差分析。極差分析法是正交實驗結果分析最常用的方法，運用極差分析，可以確定因子對指標影響程度的主次順序和因素的最優水平組合。

提取9個方案刀具三維切削仿真得到的最大切削力和溫度數據進行極差分析，分析結果如表3所示。該表中的各個因子與水平與表1存在一一對應關系(如因子D對應螺旋角，D1、D2、D3分別對應螺旋角的三個水平38°/40°、36°/38°和40°/42°)。K1、K2、K3分別對應因子第1、第2和第3水平的均值，F表示最大切削力，T表示最高切削溫度，R表示因子的極差。

由表3可以得出以下結論：

(1)刀具設計參數對切削力影響的強弱程度由大到小排序依次為前角>芯厚>齒間角>螺旋角，但總體來看，四者相差不明顯。從減小刀具切削力的角度考慮，最佳的設計參數組合為A1B3C3D2，即前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角36°/38°。

(2)刀具設計參數對切削溫度影響的強弱程度由大到小排序依次為前角>螺旋角>齒間角>芯厚，且前角和螺旋角的影響特別顯著，芯厚和齒間角影響較小。從減小刀具切削溫度的角度考慮，最佳的設計參數組合為A1B1C2D3，即前角4°，芯厚6.1 mm，齒間角85°/95°，螺旋角40°/42°。

表3　切削力和溫度極差分析表

(3)綜合考慮切削力和切削溫度，最佳的設計參數組合應為A1B3C3D3，即前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角40°/42°。

根據三維切削仿真結論，初步優選切削力最小(1#)、切削溫度最低(2#)和綜合性能最佳(3#)共3個設計方案，如表4所示。表中4#方案為現有刀具方案。

表4　初步優選方案與現有刀具方案參數對比

2　鈦合金銑刀切削性能對比實驗

為驗證三維切削仿真方法應用于優化刀具結構參數方面的有效性，開展切削性能對比實驗研究，對比表4中四種圓角立銑刀的切削性能。

2.1實驗條件

實驗工件材料與切削仿真實驗中的工件材料一樣，同為鈦合金TC4，其組成為Ti-6Al-4V，屬于а+β兩相鈦合金。實驗機床為國產VMC 1000S三軸數控機床，如圖3所示。實驗中加工方式為順銑，采用乳化液進行冷卻，切削參數見表5。

表5　切削性能對比實驗切削參數

考慮到鈦合金刀具加工壽命一般不長，實驗中以20 min為一個實驗周期，刀具每使用20 min后取出，采用Digital Microscope KH-1300超景深檢測設備(見圖4)檢測刀具刃口的崩缺和磨損情況，并據檢測結果對刀具性能進行評價。

2.2實驗結果與分析

鈦合金銑刀在加工鈦合金過程中，刀具切削刃的失效形式主要表現為擴散磨損、粘結磨損和氧化磨損[7]，故本實驗重點針對刀具刃口狀態進行檢測。

從檢測結果來看，第1個實驗周期(前20 min)過后，4種刀具方案的刃口狀態均表現為正常的均勻磨損，磨損值都不超過40 μm，如圖5所示。其中1#與4#刀具磨損值相對較小，基于仿真結果分析，這是由于這兩個方案的切削力小，在加工初期刀具刃口承受的切削載荷相對更小，后刀面與工件已加工表面的摩擦力也小一些。

隨著加工過程的進行，刀具刃口前、后刀面磨損的逐漸加大，導致切削力增大，再加上鈦合金導熱性能差，切削區域的溫度不斷升高。過高的切削溫度導致刀具刃口強度下降，同時由于工件的硬化現象更加嚴重，切削刃在斷續銑削中，受到較大的沖擊載荷，很容易產生刃口崩缺現象。如圖6所示，第2個實驗周期過后，1#刀具周刃后刀面出現嚴重的連續崩缺，2#刀具僅在邊界處(距離刀具底刃端平面為軸線切深的位置)出現1個較大的缺口，3#刀具僅在周刃中部出現1個較小缺口，4#刀具與1#刀具類似，刃口出現了連續崩缺。初步來看，切削溫度最低方案(2#)和綜合性能最佳方案(3#)表現相對更好一些。

第3個實驗周期過后，刀具磨損進一步加大，切削溫度達到極限，前期存在于刀具涂層和基材內部，因機械沖擊和熱沖擊導致的微裂紋在此階段大肆擴展，在加上高溫對刀具的氧化作用，導致4種刀具的刃口均出現了不同程度的連續崩缺狀況，如圖7所示。可以發現，大部分缺口處呈現為3層，第1個崩缺層厚度較小，應為涂層剝落導致；第2、3層應為粘結磨損導致的基材剝落。

綜合上述分析，確定本文所使用的鈦合金圓鼻銑刀4個關鍵設計參數的最佳設計組合為前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角40°/42°?？梢?，設計鈦合金銑刀應以降低切削溫度為首要目標，其次再考慮切削力大小。

3　結語

(1)從切削仿真結果來看，鈦合金銑刀的槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角4個因素對刀具銑削力的影響相差不大；但4個因素中，槽前角和螺旋角對切削溫度的影響要顯著大于芯厚和齒間角。

(2)對于切削力和切削溫度兩個因素，在加工初期切削力對刀具磨損的影響更大，但在刀具壽命周期的中后期，切削溫度的影響更大。

(3)本文所使用的鈦合金圓鼻銑刀4個關鍵設計參數的最佳設計方案為前角4°，芯厚6.4 mm，齒間角88°/92°，螺旋角40°/42°。

[1]許業林，朱春臨，張沖，等.鈦合金銑削仿真分析及實驗研究[J]. 電子機械工程，2012，28(4)：53-59.

[2]王明海，李世永，王京剛，等.航空鈦合金Ti6Al4V的三維銑削加工有限元仿真[J]. 機械科學與技術，2014，33(7)：1036-1039.

[3]Wyen C F，Wegener K. Influence of cutting edge radius on cutting forces in machining titanium [J]. CIRP Annals Manufacturing Technology，2010，59(1)：93-96.

[4]Escamilla I，Zapata O，Gonzalez B，et al. 3D finite element simulation of the milling process of a Ti6Al4V alloy [C]. 2010 SIMULIA Customer Conference，2010.

[5]Amini E，Madadi F，Katani Sh，et al. Simulation of plastic deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy by finite element method[J]. Journal of Advanced Materials and Processing，2013，1(2)：3-10.

[6]林琪，劉戰強，曹成銘，等.切削Ti-6Al-4V硬質合金涂層平頭立銑刀的幾何參數優化仿真研究[J].工具技術，2011，45(10)：7-11.

[7]陳代鑫，韓雄，宋戈.鈦合金加工刀具壽命研究技術淺析[J].制造技術與機床，2014(4)：90-94.

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Optimization of design parameter of end mill based on simulation for three-dimensional milling process of titanium alloy

MIAO Miao

(Naval Equipment Department, Xi’an 710021, CHN)

By applying orthogonal experimental design method with rake angle, core diameter, pitch angle and helical angle as factors, a simulation for three-dimensional milling process of titanium alloy Ti-6Al-4V (TC4), using 9 kinds of end mill with different parameters is carried out. According to the simulation results, three end mill design schemes are tentatively optimized, aiming at reducing cutting force and temperature. Through an experiment of milling titanium alloy TC4, the cutting performance of the three optimized tools is compared with that of the existing tool. The results show that two schemes among the three optimized tools are significantly better than the existing one. It proves the effectiveness of machining simulation by finite element method in design optimization of cutting tools, and the best tool scheme is finally decided.

titanium alloy; orthogonal experiment; 3-D milling simulation; cutting force; end mill

TG714

A

苗淼，女，1976年生，碩士，工程師，主要研究方向為燃氣輪機制造及試驗。

(編輯汪藝)(2015-10-08)

160114

*中航工業集團項目(2012HKG530)