基于切削有限元模擬的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化研究

江敏，齊龍,周琴

(1. 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 綿陽 621000； 2. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

刀具幾何參數(shù)是影響薄壁葉片曲面加工變形的重要因素，對(duì)切削變形、切削力、切削溫度和刀具磨損等有著重要的影響[1]。刀具幾何參數(shù)包括角度、刀面形式、切削刃形狀[2]。研究刀具幾何參數(shù)對(duì)工件加工變形的影響需要大量的切削加工實(shí)驗(yàn)，大量的試驗(yàn)需求造成研究成本過高，使得刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化研究受到了阻礙，有必要探索一種新的方法實(shí)現(xiàn)切削加工過程的真實(shí)再現(xiàn)。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行模擬研究將成為越來越流行的方式。

1 金屬切削有限元關(guān)鍵技術(shù)

1.1 材料模型

切削加工是一個(gè)涉及高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)切削過程，材料表現(xiàn)出來的不再是塑性變形過程的線彈性關(guān)系，而是發(fā)生應(yīng)變硬化效應(yīng)的非線性行為[3]。切削模擬過程中使用的材料模型必須能準(zhǔn)確地表達(dá)材料的這些性能。本文采用的即是熱彈塑性本構(gòu)模型，它在反映非線性行為方面有很大的優(yōu)勢(shì)，特別是能很好地反映金屬在大應(yīng)變、大應(yīng)變率以及高溫下的材料行為[4]。針對(duì)汽輪機(jī)薄壁葉片的材料2Cr13不銹鋼，通過大量查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，2Cr13的Johnson-Cook公式可以寫成[5]：

(1)

表1 2Cr13材料J-C模型參數(shù)

材料應(yīng)變速率強(qiáng)化項(xiàng)系數(shù)C隨著切削條件的改變而改變，見式(2)。

C=0.061203-185.084t-0.00412v

(2)

其中：t為切削深度；v為切削速度。

1.2 摩擦模型

有限元分析軟件ABAQUS使用的是罰摩擦行為[6]，允許存在“彈性滑移”。許多接觸問題如沖壓、鍛造、旋壓、切削等在模擬過程中都可以使用罰摩擦行為。本文在對(duì)薄壁葉片進(jìn)行切削加工有限元模擬時(shí)采用的是罰摩擦模型。

1.3 切屑分離準(zhǔn)則

切削過程是刀具相對(duì)工件材料運(yùn)動(dòng)不斷地?cái)D壓、剪切形成切屑的過程，需要一個(gè)合適的切屑分離準(zhǔn)則對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行描述，以實(shí)現(xiàn)切屑在有限元軟件中的自動(dòng)分離。本文在有限元模擬切削過程中采用有限元軟件ABAQUS/Explicit支持的ALE法，并結(jié)合物理分離準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)模擬汽輪機(jī)薄壁葉片加工過程中的切屑分離。材料的初始失效狀態(tài)采用了J-C damage進(jìn)行定義，結(jié)合單元?jiǎng)h除技術(shù)刪除分離層相應(yīng)的失效單元，實(shí)現(xiàn)切屑和工件的分離。

1.4 網(wǎng)格畸變

在金屬切削模擬過程中，網(wǎng)格大變形甚至畸變是普遍存在的問題。過大變形將導(dǎo)致計(jì)算中斷，對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大影響，使得求解結(jié)果不正確，因此有必要對(duì)其進(jìn)行處理，使求解得以順利進(jìn)行。由于初始切屑多余材料的模型不能真實(shí)反映切削的真實(shí)狀態(tài)，本文提出了一種對(duì)切屑進(jìn)行特殊處理的方法以對(duì)大變形進(jìn)行控制。這種方法結(jié)合了ALE方法、切屑端部增加材料和傾斜網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示，對(duì)切屑端部開一個(gè)小口，并對(duì)圖中框出的部分使用傾斜網(wǎng)格，且對(duì)這一部分進(jìn)行ALE方法處理，其他部位采用切屑分離準(zhǔn)則和普通網(wǎng)格。結(jié)果表明，該方法在解決了網(wǎng)格畸變的同時(shí)也縮短了計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格基本呈現(xiàn)規(guī)則化。在研究數(shù)控工藝參數(shù)對(duì)薄壁葉片的加工變形時(shí)，這種方法可以應(yīng)用到三維金屬切削模擬中。

圖1 本文切屑處理方法

2 正交模擬實(shí)驗(yàn)

目前對(duì)于2Cr13馬氏體不銹鋼刀具工藝參數(shù)的確定沒有可靠的理論依據(jù)，只能依靠工人多年的積累經(jīng)驗(yàn)。為了探討不同刀具幾何參數(shù)對(duì)加工變形的影響，需要對(duì)在不同參數(shù)條件下的切削加工進(jìn)行有限元仿真[7]，在進(jìn)行有限元模擬時(shí)采用圖2的切削模型。

加工汽輪機(jī)薄壁葉片的刀具工藝參數(shù)水平設(shè)計(jì)如表2所示，采用4因素4水平的正交模擬實(shí)驗(yàn)，就各個(gè)參數(shù)對(duì)加工變形的綜合影響進(jìn)行分析。此時(shí)不變因素主軸轉(zhuǎn)速n=3200r/min，切削深度ap=0.1mm，切削寬度aw=3.5mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z。在葉片上選取6個(gè)不同的點(diǎn)，查詢?nèi)~片變形量，葉片薄壁葉片的加工變形不僅與刀具幾何參數(shù)有關(guān)，同時(shí)還與刀具距離、壁厚等因素有重要聯(lián)系。

圖2 刀具幾何參數(shù)分析模型

表2 刀具幾何參數(shù)因素水平表

以第2組模擬實(shí)驗(yàn)為例，此時(shí)刀具前角α=14°，后角β=8°，刃傾角γ=5°，刀尖圓角半徑r=0.015mm，金屬切削有限元模擬的結(jié)果如圖3所示。對(duì)于16組模擬實(shí)驗(yàn)，在ABAQUS中進(jìn)行有限元模擬分析，4因素4水平正交模擬所得到的試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 汽輪機(jī)薄壁葉片切削加工有限元模擬結(jié)果數(shù)據(jù)

圖3 模擬結(jié)果示例圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了證明采用金屬切削有限元模擬方法研究刀具幾何參數(shù)方法的正確性和可用性，本文采用了汽輪機(jī)靜葉片實(shí)驗(yàn)加工的方法來對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，汽輪機(jī)薄壁片加工效果圖如圖4所示。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)過程中采用4軸數(shù)控機(jī)床對(duì)汽輪機(jī)靜葉片經(jīng)特殊工藝進(jìn)行加工， 同時(shí)采用傳統(tǒng)的離線檢測(cè)技術(shù)(即完成相應(yīng)工序后取下工件進(jìn)行檢測(cè))。汽輪機(jī)靜葉片容易發(fā)生變形的部位為葉片出氣邊的薄壁部分，待工件加工完成后取汽輪機(jī)靜葉片薄壁部位上6個(gè)固定點(diǎn)，測(cè)定該部位與工件加工前的位移變化量，這一位移變化量也就是葉片加工完成后這一點(diǎn)的加工變形量。實(shí)驗(yàn)所得葉片變形值和金屬切削有限元模擬所得葉片變形值的相對(duì)誤差見表4。

圖4 汽輪機(jī)薄壁葉片加工效果圖

表4 變形量預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差分析表 單位：%

從表4可以看出：

1) 葉片變形預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值最大誤差為804.5%，最小誤差為0.00%，誤差平均值為19.83%。造成誤差太大的原因一方面是該點(diǎn)在金屬切削有限元模擬的過程中發(fā)生了不應(yīng)該產(chǎn)生的大變形沒有完全得到合理解決[8]；另一方面金屬切削有限元模擬過程中忽略了切削熱、振動(dòng)等一系列復(fù)雜、不確定因素的影響[9]。

2) 通過誤差結(jié)果分析，金屬切削模擬加工和實(shí)驗(yàn)加工的葉片變形值大體上是一致的，可以說明本文所采用的金屬切削有限元模擬方法以及正交模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果相對(duì)合理。

4 刀具幾何參數(shù)優(yōu)化研究

通過上述正交模擬實(shí)驗(yàn)得到了汽輪機(jī)薄壁葉片刀具幾何參數(shù)改變時(shí)的銑削變形量，分別進(jìn)行極差、方差分析來評(píng)價(jià)出刀具幾何參數(shù)葉片加工變形的影響規(guī)律和影響程度[10]，得出刀具幾何參數(shù)的最優(yōu)組合，見表5和圖5。

表5 葉片加工變形平均值極差分析表

圖5 刀具幾何參數(shù)對(duì)葉片加工變形平均值影響趨勢(shì)圖

由表5和圖5可知，合理的刀具幾何參數(shù)對(duì)薄壁葉片的加工變形量有很大影響。較大的前角和后角固然能夠減小葉片的加工變形，提高葉片的加工精度，但在實(shí)際加工過程中，必須考慮刀具的強(qiáng)度和耐用度。因此，刀具前角選擇14°左右，后角8°左右，刃傾角10°左右，并且隨著刀具的磨損應(yīng)該及時(shí)地更換刀具。

根據(jù)方差分析表，給定顯著性水平α=5%，查表得F0.05(4,4)=6.39。葉片加工變形平均量的方差分析表如表6。前角、刀具磨鈍圓角對(duì)葉片變形的影響極顯著；后角、刃傾角對(duì)葉片變形影響相對(duì)顯著。實(shí)際加工中，應(yīng)根據(jù)工件加工精度要求和刀具耐用度綜合選擇刀具幾何參數(shù)。

表6 葉片加工變形平均值方差分析表

5 結(jié)語

1) 本文采用金屬切削有限元模擬技術(shù)對(duì)薄壁葉片的加工過程進(jìn)行模擬，得到了相對(duì)理想的模擬結(jié)果，故本文所采用的ABAQUS有限元模擬切削加工的方法切實(shí)可行，為以后的金屬切削模擬加工提供了一種參考方法。

2) 通過運(yùn)用優(yōu)化的刀具幾何參數(shù)(刀具前角、后角、刃傾角、刀尖圓角)進(jìn)行汽輪機(jī)靜葉片的銑削加工實(shí)驗(yàn)，汽輪機(jī)葉片加工變形得到了有效改善，廢品率有所下降。