不同冷卻方式對鈦合金切削過程的影響研究

陶 亮，陳海虹，陳 超 ，劉愛軍

1 引言

鈦合金具有高強輕質、耐腐蝕性好、熱強度高等優點，在航空航天、醫療器械、船舶等領域廣泛應用。但鈦合金材料亦具有導熱系數小、高溫化學活性大和彈性模量低等特性，是典型的難加工材料[1]。常規的澆注冷卻方式切削鈦合金等難加工材料時刀具磨損嚴重，影響工件表面質量，生產效率低[2]。為有效帶走切削熱，提升刀具壽命和工件表面加工質量，采用高效冷卻方式開展難加工材料切削研究受到國內外眾多學者的重視。

文獻[3]進行了鈦合金高速銑削仿真，研究了水基切削液、MQL冷卻等方式對切削力、刀具溫度等參數的影響。文獻[4]研究了鈦合金車削過程中傳統冷卻和高壓冷卻等方式對刀具壽命和工件表面完整性的影響。文獻[5]完成了Inconel 718合金切削過程中浸入式冷卻、局部噴射冷卻等方式對切削溫度、刀具應力等參數影響規律的研究。文獻[2]分析了車削45號鋼時常規冷卻和高壓冷卻方式對刀具溫度、應力以及形切屑變形的影響。文獻[6]開展了高壓冷卻下PCBN刀具切削高溫合金切屑卷曲折斷機理和試驗的研究。以硬質合金刀具切削鈦合金Ti6Al4V為研究對象，采用Johnson-Cook材料本構模型，運用金屬切削仿真軟件AdvantEdge進行了不同冷卻方式下的切削仿真，研究了高壓冷卻、浸入式冷卻、局部噴射冷卻對鈦合金切削過程的影響規律。研究結果可為鈦合金切削時選擇有效的冷卻方式提供理論指導。

2 切削模型建立

2.1 材料模型

采用Johnson-Cook本構模型來描述鈦合金的材料性能，它具備較高的應變、應變率以及溫度等參數的計算精度[7]，其具體形式為：

式中：A、B、C、m、n—材料模型參數，數值如表 1 所示[7]；ε˙—等效塑性應變率；ε˙0—參考塑性應變率；σ—流動應力；ε—等效塑性應變；Tr、Tm—環境溫度與材料熔點。

表1 工件材料J-C本構參數Tab.1 Johnson-Cook Material Model for Ti6Al4V

2.2 切削仿真參數

仿真中使用的刀具材料為硬質合金，工件材料為Ti6Al4V，工件模型長4mm，高2mm，刀具和工件材料性能，如表2所示。仿真中選用精度較高的標準模型，通過自適應網格重劃分技術劃分刀具網格，刀具最大網格單元尺寸0.3mm，最小刀具網格單元尺寸0.03mm，網格劃分等級為G=0.5，G值決定了靠近切削刃處網格由粗到細轉換的快慢程度[9]。仿真模型采用的切削參數，如表3所示。

表2 刀具和工件材料主要力學、物理性能Tab.2 Material Properties of Ti6Al4V and Tool Material Carbide

表3 切削仿真參數Tab.3 Simulation Parameters

研究了高壓冷卻、浸入式冷卻、局部噴射冷卻三種形式對鈦合金切削過程的影響。三種冷卻方式均選用相同的切削液，密度為1010kg/m3，對流系數為8.75×104W/（m2·K），切削初始溫度為20℃。高壓冷卻將足夠壓力冷卻液噴射至刀具前刀面切削區和切屑之間，有效帶走切削產生的熱量[6]。高壓冷卻噴嘴坐標為X=6.5mm，Y=3mm，噴嘴半徑R=0.5mm，切削液噴射角為325°，噴射速度為60m/s。浸入式冷卻中，除工件底面和刀具上有溫度載荷的邊界面外，工件和刀具間所有非接觸表面以及裸露表面的熱量均會被切削液帶走[10]，在軟件中選擇immersed選項即可。局部噴射冷卻方式利用噴嘴流出的切削液將工件和刀具上指定區域的表面熱量帶走[10]。仿真中設置噴嘴坐標為X=2.5mm，Y=2mm，噴嘴半徑R=0.5mm。設置好的二維正交切削模型，如圖1所示。

圖1 二維正交切削模型Fig.1 Cutting Simulation Model

3 仿真結果分析

3.1 冷卻方式對切削溫度的影響

三種冷卻方式下刀具和工件溫度分布圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，刀具高溫區主要分布在切削刃附近，浸入式冷卻中刀具高溫區范圍最小，其次是高壓冷卻，局部噴射冷卻高溫區范圍最大。產生該現象的原因可解釋為高壓冷卻中由于噴射角和噴頭位置設置等因素使切削液未能在切削區域形成高能量的沖擊楔，減少了通過切削區域的切削液數量，導致散熱性能降低，而局部噴射冷卻方式中由于刀-屑間緊密接觸導致切削液不能進入切削區域或不能到達刀-屑接觸區[3，11]，因此高壓冷卻散熱效果低于浸入式冷卻但優于局部噴射冷卻。

圖2 不同冷卻方式下切削區溫度分布圖Fig.2 Temperature Distributions in the Cutting Zone of Various Coolants

三種冷卻方式對切削刃最高溫度的影響，如圖3所示。從圖3中可知，局部噴射冷卻中刀具切削刃溫度最高，其次為高壓冷卻，浸入式冷卻最低，該現象也與圖2的溫度分布規律相似。

圖3 不同冷卻方式對切削刃最高溫度的影響Fig.3 Effect of Various Coolants on Maximum Tool Edge Temperature

3.2 冷卻方式對切削力的影響

三種冷卻方式對切削力的影響，如圖4所示。從圖4中可以看出，切削力變化規律與溫度分布規律類似，局部噴射冷卻中切削力最高，其次為高壓冷卻，浸入式冷卻切削力最低。主要是由于浸入式冷卻具有良好的熱傳導性，減少了工件材料轉變為切屑所需要的能量[3]。

圖4 不同冷卻方式對切削力的影響Fig.4 Effect of Various Coolants on Cutting Force

3.3 冷卻方式對刀具應力的影響

三種冷卻方式對切削刃最大應力的影響，如圖5所示。由圖5可知，浸入式冷卻中切削刃應力最小，其次是高壓冷卻，切削刃應力最大的為局部噴射冷卻。由于切削刃應力大小取決于切削區熱量多少和工件材料轉變為切屑所需的能量[3]，而三種冷卻方式中浸入式冷卻熱傳導性最好，冷卻效果最佳，因此該冷卻方式下切削刃應力最小。

圖5 不同冷卻方式對切削刃最大應力的影響Fig.5 Effect of Various Coolants on Maximum Tool Stresses

4 結論

基于金屬切削仿真軟件AdvantEdge在高壓冷卻、浸入式冷卻、局部噴射冷三種冷卻方式下對工件材料Ti6Al4V進行切削仿真分析，得出以下結論：（1）三種冷卻方式中，刀具高溫區主要分布在切削刃附近區域。（2）浸入式冷卻中切削刃溫度和應力最低、切削力最小。（3）浸入式冷卻切削性能最好，其次為高壓冷卻，局部噴射冷卻最差。