基于Deform—3D車削鈦合金Ti—6Al—4V的加工過程仿真

陳卓

【摘 要】通過Deform-3D軟件，進(jìn)行了鈦合金Ti-6Al-4V車削過程的仿真，預(yù)測(cè)了切削力和切削溫度，為提高刀具耐用度和加工質(zhì)量提供了有效方法，為改善難加工材料的切削加工性提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】車削；Deform-3D；切削力；切削溫度；仿真

0 引言

鈦合金作為航空、航天、航海、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種難加工材料，其加工過程中一直存在切削溫度高、刀具耐用度低、加工質(zhì)量難以保證等問題。預(yù)測(cè)切削過程從而優(yōu)化切削參數(shù)進(jìn)而達(dá)到提高刀具耐用度和加工質(zhì)量是現(xiàn)實(shí)鈦合金加工優(yōu)化最有效的方法之一，由于實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)價(jià)格不菲的刀具和材料且實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，因此通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)切削過程已成為目前常見的方法。現(xiàn)階段，Deform、Ansys、Abaqus、AdvantEdge等軟件已普遍應(yīng)用于金屬切削過程的仿真[1-3]。

本文選擇三維有限元軟件Deform-3D作為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以車削鈦合金TC4作為研究對(duì)象，采用硬質(zhì)合金刀具，預(yù)測(cè)了不同切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，為切削參數(shù)的優(yōu)化提供了參考。

1 仿真步驟

Ddeform-3D軟件可以分析車削、銑削、鉆削等加工過程，本文以車削加工為研究對(duì)象。首先，建立切削模型和設(shè)置參數(shù)。Deform-3D軟件可以導(dǎo)入其他三維建模軟件創(chuàng)建的模型，導(dǎo)入的格式有STL、UNV、IGS等。此外，Deform-3D也自帶建模功能。本文采用Deform-3D自帶建模功能，創(chuàng)建車削模型如圖1所示。參數(shù)的設(shè)置分別為： 切削速度v為別為80、100、120m/min，進(jìn)給量f分別為0.05、0.1、0.15 mm/r，切削深度ap分別為0.3、0.6、1mm。

圖1 車削模型

第二步，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。Deform-3D有兩種劃分方法——相對(duì)和絕對(duì)網(wǎng)格劃分。本文中工件采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分方法，最大和最小網(wǎng)格單元尺寸之比為7；刀具采用的是相對(duì)網(wǎng)格劃分，其單元數(shù)為36000。

第三步，材料定義。Deform-3D有自帶的刀具和工件材料庫，同時(shí)也可添加自定義材料。本文中，刀具選擇Deform-3D自帶型號(hào)為CNMA432的刀片，工件選擇材料庫中的Ti-6Al-4V（等同我國的TC4）。

最后，根據(jù)前面的步驟進(jìn)行求解運(yùn)算并進(jìn)行后置處理，以圖形顯示和生成相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 仿真結(jié)果與分析

切削力和切削溫度是切削過程中重要的物理現(xiàn)象，直接影響刀具的磨損和加工表面質(zhì)量，從而影響材料的切削加工性。因此，對(duì)切削過程的切削力和切削溫度進(jìn)行仿真和分析，從而作為降低刀具磨損速率、提高刀具耐用度的理論依據(jù)。切削速度v=100m/min，切削深度ap=0.3mm，進(jìn)給量f=0.1m/r時(shí)，采用Deform-3D軟件仿真切削力的結(jié)果如圖2（a）所示，切削溫度變化情況如圖2（b）所示。

（a）切削力變化仿真原始曲線

（b）切削溫度條形圖

圖2 Deform-3D仿真結(jié)果原始圖

（v=100m/min，ap=0.3mm，f=0.1m/r）

根據(jù)Deform-3D的仿真結(jié)果，獲得相關(guān)切削力和切削溫度數(shù)據(jù)，用Origin 8.5軟件繪制數(shù)據(jù)，如圖3所示。

如圖3所示，總體上隨著切削參數(shù)的增加，切削力和切削溫度隨之增大，二者的增大趨勢(shì)相同，但速率有所不同。

如圖3（a）所示，隨之切削速度和進(jìn)給量的增加，切削力和切削溫度的增大速率有所不同，當(dāng)切削速度從80增加到100m/min時(shí)，切削溫度的增大速率大于切削力的增大速率，當(dāng)切削速度從100增加到120m/min時(shí)，切削溫度的增大速率低于切削力的增大速率。在圖3（b）中，隨著切削深度的增加，切削溫度的增大速率要遠(yuǎn)小于切削力的增大速率。而圖3（c）中，切削力和切削溫度的增大速率基本一致。

切削溫度是影響刀具耐用度的重要因素，而刀具耐用度是衡量切削加工性能的重要指標(biāo)。通過圖3和以上分析可知， Ti-6Al-4V車削加工時(shí)，應(yīng)選擇相對(duì)較低的切削速度和進(jìn)給量及較大的切削深度，這有利于降低切削溫度，提高刀具耐用度。

3 結(jié)語

本文通過使用Deform-3D軟件對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V的車削過程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)論如下：

1）Deform-3D軟件進(jìn)行切削加工過程的仿真步驟包括：建模、參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、材料定義、求解運(yùn)算和后置處理；

2）車削鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)，隨著切削參數(shù)的增加，切削力和切削溫度隨之增大，但增大速率有所不同。

3）車削鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)，應(yīng)選擇相對(duì)較低的切削速度和進(jìn)給量及較大的切削深度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李濤，顧立志.金屬切削過程有限元仿真關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)考慮的若干問題[J].工具技術(shù)，2008，42（12）：14-18.

[2]龐麗君，尚曉峰.金屬切削原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[3]王殿龍，于貽鵬.金屬切削過程的有限元法仿真研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007，47（6）：829-833.