GH4169熱輔助切削過程分析

鄧志博，王 哲

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

高溫合金GH4169因其具有良好的物理性能和化學性能，被廣泛用于制造航空發動機的葉盤、葉片等關鍵部件，加工過程具有切削力較大、易發生加工硬化現象、切削溫度高、刀具磨損嚴重。國內外學者采用不同的切削策略進行提高加工質量和效率，張文濤分析切削參數對GH4169的銑削加工過程影響規律，得出對切削力影響最大的是每齒進給量，切削力與每齒進給量成正比；對切削溫度起主導作用的參數是切削速度，隨著切削速度增加切削溫度升高[1]。梁軍華對比分析了GH4169在干式切削、乳化液與壓縮空氣冷卻三種冷卻方式下銑削加工表面粗糙度的變化規律，得出對表面粗糙度影響最大的參數是銑削深度，隨著銑削深度的增加，切削液潤滑方式下的表面粗糙度優于壓縮空氣冷和干式切削[2]。李錄彬進行不同高壓冷卻參數下GH4169切削試驗研究，得出相比于澆注式潤滑方式，高壓冷卻作用有助于減小切削力，高壓冷卻作用越大切削力越小[3]。

熱輔助切削能夠通過外部熱源對工件進行加熱來降低工件強度和硬度降低切削力改善切削的目的[4]，外部熱源通常包括電、火焰、等離子、感應和激光等方式。Parida發現輔助溫度越高，鈦合金切削力越小，切屑和刀具的接觸長度增加[5]。許金凱等對比分析了GH4169在常規切削和激光加熱輔助切削方式下刀具磨損和表面粗糙度，得出激光輔助切削有利于減小刀具磨損，降低表面粗糙度[6]。Przestacki針對復合材料A359/20SiCp進行了常規車削和激光熱輔助車削對比試驗，結果表明激光加熱輔助車削更有利于提高刀具壽命[7]。Bermingham通過鈦合金TC4切削試驗，表明熱輔助切削較干式切削雖然到降低了切削力，但是熱輔助切削過程中與擴散相關的磨損機制加劇，導致刀具壽命減小[8]。

目前對熱輔助切削的研究主要集中于表面粗糙度和刀具磨損，缺乏對切屑形態和殘余應力的研究。本文采用有限元元分析方法，研究涂層刀具和硬質合金刀具，在相同切削參數不同輔助溫度下，高溫合金GH4169切削力、殘余應力和切屑形態的變化規律。

1 試驗設計

1.1 有限元模型

Abaqus是進行金屬切削研究的有效工具，該軟件具有強大的非線性問題處理能力，通過模型金屬切削加工過程中產生的彈性、塑性、彈塑性耦合和應力軟化等過程，能夠得到切削過程中切削力、切削溫度、應力應變和切屑形態的變化規律，對于選擇工藝方法和提高加工質量有著重要的作用。

有限元模型由工件和刀具兩部分組成，如圖1所示。其中，工件被分離層分割成切屑層和基體層。切屑層受到刀具擠壓產生切屑，工件層底面固定，分離層達到一定切屑分離準則使切屑層和工件基體產生分離。工件采用四邊形單元網格，刀具采用三角形網格；采用熱力位移耦合分析步；刀具和工件采用面面接觸。切削仿真模型分別在熱輔助溫度20、200和600 ℃下進行仿真模型，采用硬質合金刀具和涂層刀具分別對工件進行切削，切削速度vc=40 m/min，進給量f=0.2 mm，切削深度ap=0.1 mm。

圖1 切削仿真模型

1.2 材料參數模型

本次試驗對象為鎳基高溫合金GH4169，刀具分為WC硬質合金刀具和TiN涂層刀具兩種，其主要機械性能[9]如表1所示。金屬切削仿真過程中，工件在高應變、高應變率和高溫狀態下發生瞬時的劇烈彈塑性變形。建立能夠反映材料切削加工過程中，應力與應變關系、應變率和溫度之間的關系的本構模型是保障切削仿真過程準確性的基礎。不同溫度下GH4169的屈服應力和塑性應變關系[10]如下圖2所示。

圖2 不同溫度下GH4169屈服應力和塑性應變關系

表1 工件和刀具材料機械性能

1.3 摩擦模型

切削過程中，刀具和材料產生相互擠壓和滑動，如圖3所示。在刀尖附近的刀具與切屑產生黏結現象，前刀面與切屑接觸正應力很高，摩擦應力為材料的臨界剪切應力；而在滑動摩擦區域，刀屑接觸正應力較小，摩擦力與正應力呈正比例，摩擦模型如式(1)所示。

圖3 刀屑接觸區域摩擦示意圖

(1)

式中：τf為摩擦應力；σn為前刀面與切削接觸面上的正應力；τmax為材料的臨界剪切應力；μ為摩擦系數，取為0.3。

1.4 切屑分離準則

切屑分離準則是以單元節點的應力、應變、應變能密度等物理量是否達到設定值作為依據進行判定的。當工件與刀具前端接觸位置物理量達到設定的臨界值時，單元節點產生分離形成切屑。本模型采用剪切損傷準則來實現切屑與工件的分離。

2 結果分析

2.1 熱輔助溫度對切削力的影響

采用WC硬質合金刀具和TiN涂層刀具對高溫合金GH4169進行切削試驗，不同熱輔助溫度下切削力結果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著熱輔助溫度的升高，WC非涂層刀具和TiN涂層刀具所產生的切削力都呈減小趨勢，TiN涂層刀具比WC非涂層刀具更有利于減小切削力。

圖4 熱輔助溫度對切削力的影響

2.2 熱輔助溫度對殘余應力的影響

較小切削力有利于提高工件的切削性能，采用TiN涂層刀具切削高溫合金GH4169，不同熱輔助溫度下已加工表面殘余應力的分布情況如圖5所示。不同熱輔助溫度下，表面表現為殘余拉應力，隨著表層深度的增加，殘余拉應力轉化為殘余壓應力，并在一定位置處達到最大值，后減小并趨于零。當熱輔助溫度為20、200、600 ℃時，表面殘余應力分別為200、160、51 MPa。對比可知，熱輔助溫度越低表層殘余應力越大，且殘余應力沿深度方向首先趨于零。當溫度等于600 ℃時，里層殘余壓應力最大，大小為-350 MPa。

圖5 熱輔助溫度對殘余應力的影響

2.3 熱輔助溫度對切屑形態的影響

采用TiN涂層刀具切削高溫合金GH4169，不同熱輔助溫度下所產生的切屑形態如圖6所示，從圖6中可以看出，隨著熱輔助溫度從20 ℃升高到600 ℃時，切屑的齒距H逐漸由63 μm升高到132 μm，形態由鋸齒狀慢慢轉化為帶狀。

圖6 熱輔助溫度對切屑形態的影響

3 結 論

通過不同熱輔助溫度下高溫合金GH4169切削仿真模擬分析，可以得出：

(1)在不同熱輔助溫度下，TiN涂層刀具比WC硬質合金刀具更有利于減小切削力。熱輔助溫度越高，切削力越小，切屑齒距越大，越容易產生帶狀切屑；

(2)熱輔助溫度越高，表面殘余拉應力越小，表層殘余壓應力越大。