對(duì)鈦合金TC17材料高速切削的有限元分析

史寅棟 崔子梓 王進(jìn)強(qiáng) 車璐 武麗明 劉備

摘要：針對(duì)加工使用的鈦合金材料TC17進(jìn)行了切削研究分析，通過建立切削理論模型對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，基于ABAQUS對(duì)切削時(shí)的刀尖，切屑以及已加工表面的最大應(yīng)力進(jìn)行了有限元仿真分析對(duì)比，并以過渡，高速切削速度以及刀具前角為變量對(duì)鈦合金切削進(jìn)行了分析對(duì)比，為后續(xù)該材料的高速切削提供一定的理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

Abstract： The cutting research and analysis are carried out for the titanium alloy material TC17 used for processing. Through the establishment of the cutting theory model， the numerical simulation is carried out.Based on ABAQUS， finite element simulation is carried out on cutting tool tip， chip and maximum stress of machined surface during cutting. Variable analysis of titanium alloy cutting is carried out， which provides a theoretical basis for the subsequent cutting of the material.

關(guān)鍵詞：ABAQUS;刀尖應(yīng)力;鈦合金;高速切削

Key words： ABAQUS;tip stress;titanium alloy;high speed cutting

中圖分類號(hào)：TB31;TG506? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0082-02

0? 引言

金屬的切削研究歷來都是各個(gè)加工領(lǐng)域十分重視的研究課題，鈦合金作為一種被廣泛應(yīng)用于航天與醫(yī)療領(lǐng)域的金屬材料，它的應(yīng)用程度已然成為一個(gè)國(guó)家制造業(yè)與裝備先進(jìn)程度的標(biāo)志體現(xiàn)[1]。鈦合金材料的常規(guī)切削速度一般選取45m/min之下，相比較常規(guī)的金屬，鈦合金的高速切削速度范圍為100m/min以上，遠(yuǎn)低于常規(guī)金屬切削的速度。

多數(shù)的切削分析都是以常規(guī)的切削速度或者過渡區(qū)域的速度對(duì)鈦合金進(jìn)行切削研究，且沒有對(duì)三個(gè)變形區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析。本文以此為基礎(chǔ)對(duì)加工使用的TC17材料進(jìn)行相應(yīng)的切削加工研究與分析。

1? 二維切削理論分析

在金屬切削過程中，一般將切削的變形分為三個(gè)主要的變形區(qū)。

對(duì)刀具切削金屬進(jìn)行直角切削模型的建立，則切削過程中受力圖如圖1所示。

基于合力的平衡即R′=R，方向相反，可由平衡力系得：

上式中：FC為水平分力;FT為垂直分力，F(xiàn)S為剪切面的剪切力;FN為剪切面的法向力;Ff為前刀面的摩擦力;N為前刀面的垂直分力;？準(zhǔn)為剪切角，？酌為刀具的前刀角。

而刀具的前刀面的平均摩擦角？茁可用下式求出：

u為刀屑間平均摩擦系數(shù)。

則刀尖處的最大正應(yīng)力？滓為：

上式中：？滓：刀尖處的最大正應(yīng)力;？子：剪切摩擦應(yīng)力;h為切削厚度;？灼為冪指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)10可知，此處選擇？灼=2。

刀具切屑間的接觸長(zhǎng)度l為：

2? 有限元仿真的建模與設(shè)置

切削的模擬過程不可能將實(shí)際情況完全考慮，為此對(duì)切削過程進(jìn)行相應(yīng)的基本假設(shè)。

對(duì)二維切削仿真進(jìn)行如下假設(shè)：①工件材料為各向同性的剛塑性體;②將刀具考慮為剛體，只考慮其傳熱性，采用直角切削模型分析;③材料的失效遵循J-C失效損傷模型;④不考慮加工件與刀具間的互相振動(dòng)影響。

TC17材料的本構(gòu)方程的基本參數(shù)為：A=1100Mpa，B=590Mpa，n=0.41，C=0.0152，m=0.833，密度？籽=4770Kg/m3，熱熔c=520J/（kg/K）。

切削過程中材料的失效遵循J-C失效模型，即遵循：

？滓f為等效應(yīng)力：T0為參考溫度，Tmelt為材料的熔點(diǎn)溫度;T為工件的瞬時(shí)溫度。？著p為塑性應(yīng)變率;？著0為參考應(yīng)變率。A，B，C，m，n為材料的基本屬性參數(shù)。

刀具選擇半精加工與精加工時(shí)候的后角，選取較大的后角，此處為14°，刀具前角為0°，刃傾角為0°，切削厚度為0.5mm，材料模型建立為10×5mm。

對(duì)于刀具與材料進(jìn)行模型建立，并在后處理中可得到刀具切削的應(yīng)力結(jié)果，其應(yīng)力云圖如圖2所示。

3? 仿真結(jié)果對(duì)比分析

3.1 切削過程中的應(yīng)力變化

通過二維切削模型的建立，對(duì)鈦合金的高速切削進(jìn)行分析：

對(duì)刀尖與切屑及已加工表面的最大應(yīng)力大小進(jìn)行采集。

以切削速度1m/s的切削模型為例，對(duì)鈦合金材料進(jìn)行切削過程仿真，各處的最大應(yīng)力值分別如圖3所示。

從圖3中可以看出刀尖處的材料以及切屑的最大應(yīng)力已經(jīng)超過鈦合金材料的最大屈服強(qiáng)度，已加工表面在屈服強(qiáng)度內(nèi)，分別對(duì)應(yīng)金屬切削的三個(gè)變形區(qū)。

切屑與已加工表面的應(yīng)力變化基本趨于穩(wěn)定，而刀尖處的最大應(yīng)力從切削的過程中可以看出是隨著切屑的形成而變化，當(dāng)切屑處于繃斷則應(yīng)力較小。在切削1.5ms時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折極點(diǎn)，通過切削過程云圖可知此時(shí)切屑處于一個(gè)繃斷狀態(tài)，刀具與材料接觸面減少，切削的應(yīng)力減小。

3.2 高速切削速度的影響

在載荷中對(duì)材料的切削速度進(jìn)行設(shè)置，以切削速度過渡區(qū)域與高速區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析，各個(gè)速度分段分別為：①過渡切削速度區(qū)域：60-120m/min（間隔為20m/min）;②高速切削速度區(qū)域：180-360m/min（間隔為60m/min）。

在ABAQUS中需統(tǒng)一換為對(duì)應(yīng)的國(guó)際單位m/s。此處選擇切削一個(gè)完整切屑時(shí)刀尖切削材料的最大應(yīng)力為參考值。則分析結(jié)果如圖4所示。

從不同切削速度段的仿真分析可以看出，在鈦合金切削過渡速度段，切削時(shí)刀尖處的應(yīng)力值隨著切削速度的增加而整體呈現(xiàn)上升趨向，但在高速切削段，刀尖處的應(yīng)力值基本趨于穩(wěn)定，但相比過渡速度區(qū)域其應(yīng)力值要大的多，由此可預(yù)測(cè)當(dāng)切削鈦合金時(shí)，速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其刀尖的應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，不再明顯增大。

3.3 切削前角的影響

通過修改刀具的模型，建立不同前角的刀具，此處前刀角范圍為：-10～15°。

以高速切削的速度300m/min的切削模型為例對(duì)切削進(jìn)行分析，選取不同的切削前刀角，此處以每5°為例進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖5所示。

在給定的刀具切削前角范圍，隨著切削前角的不斷變大，刀尖處的最大切削應(yīng)力整體趨向于變小，當(dāng)?shù)毒叩那敖亲兇螅毒叩募羟薪亲兇?，刀具變得鋒利，切削變得容易。

4? 結(jié)語

本文通過有限元的二維切削仿真模型對(duì)鈦合金的高速切削進(jìn)行了研究分析，并以三個(gè)變形區(qū)的應(yīng)力值，不同切削速度區(qū)域以及切削前角對(duì)鈦合金的切削進(jìn)行了仿真分析，并得出以下結(jié)論與建議：①鈦合金在過渡速度區(qū)域，刀尖處的應(yīng)力值隨著切削速度增加而變大，當(dāng)切削速度達(dá)到高速區(qū)域時(shí)，刀尖處的應(yīng)力值趨于穩(wěn)定;因此在切削類似鈦合金材料時(shí)候，發(fā)展高速切削的應(yīng)用，并不斷研究與其相對(duì)應(yīng)的高速切削刀具，可提高其切削效率。②在高速切削鈦合金材料時(shí)候，在給定的切削前角范圍內(nèi)，刀尖處的應(yīng)力值隨著切削前角的不斷增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。在切削鈦合金材料的時(shí)候可適量調(diào)整刀具的前刀角。

參考文獻(xiàn)：

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