Inconel 718鎳基高溫合金銑削過程的數值模擬

李學光， 郭克， 陳明澤， 王亞輝

(1. 長春理工大學機電工程學院， 吉林 長春 130022； 2. 中國人民解放軍66132部隊， 北京 100000)

0 引言

隨著高精度武器技術的飛速發展， 鎳基高溫合金由于其耐高溫、 耐腐蝕等優點廣泛應用于先進航空武器制造的國防領域. 鎳基高溫合金已成為航空航天、 制造飛機結構中常見主要組成材料之一. 鎳基高溫合金Inconel 718在航空航天和電力工業被廣泛應用， 因為其機械強度高， 在高溫條件下具有優良的耐腐蝕性和抗蠕變性能. 鎳基高溫合金Inconel 718具有良好的力學性能和物理性能， 在航空航天和醫療領域有廣泛的應用. 據統計分析， 約50%的飛機發動機是由鎳基高溫合金制成的[1-4].

Varsharani等[5]利用測量的切削力獲得最佳切削條件， 在Inconel 718螺旋球頭銑削過程中建立回歸模型使切削力達到最小. 鄭光明等[6]利用陶瓷刀具對航空航天材料Inconel 718進行了一系列銑削實驗，研究不同切削速度下切屑形態、 銑削力和刀具磨損等的變化規律. Li等[7]采用ABAQUS軟件建立三維銑削模型， 使用Johnson Cook材料本構模型來確定鎳基高溫合金Inconel 718應力. 吳明陽等[8]進行了PCBN刀具車削鎳基高溫合金Inconel 718實驗， 分析PCBN刀具車削高溫合金Inconel 718時切削參數對切削力的影響， 并且研究了形成不同刀具磨損形式的原因. Jadam等[9]研究了在切削鎳基高溫合金Inconel 718過程中， 在干切削條件下未涂層硬質合金刀片的不同磨損形式. 于鳳云等[10]研究了預應力對GH4169切削的影響. Sun 等[11]對切削力信號和切削速度進行了特殊測試. Hao等[12]采用涂層刀具進行切削鎳基高溫合金Inconel 718， 研究了刀具的磨損機理. Jebaraj等[13]研究了冷卻環境、 進給速度、 切削速度等工藝參數對切削溫度、 進給力、 法向力、 軸向力和平均表面粗糙度輸出響應的影響. Lu 等[14]建立了預測微銑削力和銑削溫度的模型, 通過實驗驗證了該模型的準確性. 根據熱力耦合原理和實驗結果， 得到切削參數對微銑削力和銑削溫度的影響.

本研究采用有限元方法對鎳基高溫合金Inconel 718連續銑削過程及切屑形成進行了仿真研究. 首先建立銑削過程的三維銑削模型， 采用JC材料本構模型和等效塑性應變法對銑削過程進行仿真. 通過在銑削模型中改變切削參數， 分析了切削力、 切削溫度和切屑形態的變化規律.

1 有限元仿真分析

傳統的鎳基高溫合金切削加工成本高， 浪費人力物力. 隨著計算機性能的飛速發展， 有限元技術得到了廣泛的應用， 有限元仿真技術逐漸成為研究人員研究材料加工過程的方法， 大大降低了實驗研究的成本. 文獻[15]建立了彈塑性材料三維切削的有限元模型， 分析了切削過程中切屑產生和形態變化過程, 從邊界條件、 材料屬性、 熱力耦合、 網格等方面對正交切削的有限元模擬和表面完整性進行了全面研究.

本研究采用有限元軟件ABAQUS進行三維銑削仿真. 在三維建模中， 模擬了刀具銑削過程. 因此， 在進行切削操作中， 得到了所需要的數據. 有限元銑削模型如圖1所示.

圖1 銑削模型示意圖Fig.1 Milling model

刀具網格劃分在仿真過程中起著至關重要的作用. 本研究定義工件切削區域的單元網格尺寸為0.01 mm. 在非切削區域網格尺寸進行單一精度播種， 種子密度分布為0.01～0.05 mm. 網格單元為熱力耦合應力型單元， 采用一階線性減縮積分平面應變六面體單元， 并采用強化沙漏控制.

材料本構模型Johnson-Cook(JC)可以描述在高應變、 高應變率和高溫下的金屬材料動態行為. 仿真計算所需材料參數如表1～2所示.

表1 Inconel 718的J-C本構參數

表2 Inconel 718的物理性質

刀具為整體硬質合金立銑刀. 刀具直徑為10 mm. 在切削實驗中， 采用單因素實驗的方法改變主軸轉速、 切削深度和每齒進給量. 主軸轉速為3 000、 4 000、 5 000、 6 000 r·min-1, 每齒進給量為0.06、 0.08、 0.10、 0.12 mm·z-1. 軸向切削深度為0.20、 0.25、 0.30、 0.35 mm， 徑向切削深度為5 mm. 利用本研究建立的三維銑削模型， 在不同的每齒進給量、 主軸轉速和切削深度的切削參數下， 對切削溫度、 切削力和切屑形態進行了仿真分析.

2 結果與討論

2.1 銑削溫度分析

2.1.1每齒進給量對切削溫度的影響

銑削仿真中， 軸向切削深度0.30 mm， 徑向切削深度5 mm， 主軸轉速3 000 r·min-1. 每齒進給量分別為0.06、 0.08、 0.10、 0.12 mm·z-1. 在鎳基高溫合金Inconel 718連續銑削的條件下(軸向切削深度0.3 mm， 主軸轉速3 000 r·min-1)， 通過對不同每齒進給量實驗組的分析， 得到四種溫度云圖(詳見圖2).

(a) fz=0.06 mm·z-1

(b) fz=0.08 mm·z-1

(c) fz=0.10 mm·z-1

(d) fz=0.12 mm·z-1

由圖2可知， 每齒進給量為： 0.06、 0.08、 0.10、 0.12 mm·z-1時， 銑削溫度分別為836、 858、 885、 905 ℃. 可以看出， 銑削溫度隨著每齒進給量的增加逐漸上升， 但變化速率在下降. 這是因為隨著每齒進給量的增加， 進給速度逐漸增加， 單位時間內的去除率增加， 導致切削溫度增加. 同時， 隨著進給速度的增加， 切屑帶走的熱量增加， 導致升溫速率逐漸降低. 在圖2中可以看出， 最大銑削溫度發生在切屑之間的接觸點和端銑刀尖的邊緣.

2.1.2切削深度對切削溫度的影響

對軸向切削深度ap1=0.20 mm、ap2=0.25 mm、ap3=0.30 mm、ap4=0.35 mm四種參數進行切削仿真. 通過對不同切削深度實驗組進行分析， 在每齒進給量0.1 mm·z-1， 主軸轉速3 000 r·min-1切割條件下得到四種溫度云圖， 如圖3所示.

(a) ap1=0.20 mm

(b) ap2=0.25 mm

(c) ap3=0.30 mm

(d) ap4=0.35 mm

由圖3可知， 當軸向切削深度為0.20、 0.25、 0.30和0.35 mm時， 對應的銑削溫度分別為831、 861、 885和910 ℃. 可以看出， 銑削溫度隨著軸向切削深度的增加而增加， 這是由于軸向切削深度增加， 前刀面與工件的接觸面積增加， 產生大量的切削熱.

2.1.3主軸轉速對切削溫度的影響

軸向切削深度為0.30 mm時， 主軸轉速為3 000、 4 000、 5 000和6 000 r·min-1. 在Inconel 718連續銑削條件下(每齒進給量為0.10 mm·z-1， 切削深度為0.30 mm)， 通過對不同主軸轉速實驗組的分析， 得到四種溫度云圖， 具體詳見圖4.

(a) v主軸=3 000 r·min-1

(b) v主軸=4 000 r·min-1

(c) v主軸=5 000 r·min-1

(d) v主軸=6 000 r·min-1

由圖4可知， 軸向切削深度為0.30 mm， 主軸轉速為3 000、 4 000、 5 000和6 000 r·min-1時， 銑削溫度分別為885、 896、 906和918 ℃. 銑削溫度隨著主軸轉速的增加而增加. 不同的是隨著銑削速度的增加， 銑削溫度的增長速率呈現穩定的變化規律. 隨著銑削速度的逐漸增加， 切削區域切屑溫度逐漸增加， 切屑帶走的熱量的比例逐漸增加， 所以轉移到刀-工之間的熱量幾乎不變.

2.2 銑削力分析2.2.1 主軸轉速對切削力的影響

該模型軸向切削深度為0.30 mm， 徑向切深5 mm， 每齒進給量為0.10 mm·z-1. 以切削力為指標進行研究， 以主軸轉速為單因素進行仿真分析. 對主軸轉速3 000、 4 000、 5 000及6 000 r·min-1進行了切削仿真. 銑削力平均值隨主軸轉速的變化如圖5所示. 當主軸轉速較低時， 隨著主軸轉速的增加， 單位時間內去除量增加， 切削力先增大. 隨著主軸速度的繼續增加， 單位時間內去除量不再增加. 刀具與工件之間的摩擦系數減小， 切削力減小； 隨著主軸轉速的不斷提高， 溫度也隨之提高， 工件的強度和硬度降低， 切削力也隨之降低. 綜上所述， 切削力會隨著主軸轉速的增加先增大， 然后逐漸減小.

圖5 不同主軸轉速下的切削力Fig.5 Cutting force at different spindle speeds

2.2.2切削深度對切削力的影響

該模型徑向切深5 mm， 主軸轉速3 000 r·min-1， 每齒進給量0.10 mm·z-1. 以切削力作為研究指標， 以切削深度單一因素進行仿真分析. 軸向切削深度分別在0.20 、 0.25 、 0.30 和0.35 mm進行了切削仿真. 切削力的平均值隨切削深度的變化如圖6所示. 隨著切削深度的增加， 銑削力隨軸向切削深度成比例增大， 但對刀具與工件的摩擦系數和材料變形系數波動影響不大， 因此隨著切削深度的增加， 切削力逐漸增大.

圖6 不同切削深度下的切削力Fig.6 Cutting forces at different cutting depths

2.2.3每齒進給量對切削力的影響

該模型軸向切削深度0.30 mm， 徑向切削深度5 mm， 主軸轉速3 000 r·min-1. 以切削力作為研究指標， 采用單因素每齒進給量進行仿真分析. 分別在0.06、 0.08、 0.10、 0.12 mm·z-1的條件下進行數值模擬， 銑削力的平均值隨每齒進給量的變化如圖7所示.

圖7 不同每齒進給量的切削力Fig.7 Cutting force at different feed per tooth

隨著每齒進給量的增加， 單位時間內工件材料的去除量成比例增加， 導致克服材料變形的工作量增加， 切削力逐漸增加. 同時， 隨著每齒進給量的增加， 切屑變形系數變大， 摩擦系數變大， 也會削弱切削力的增加. 綜上所述， 切削力隨每齒進給量的增加而緩慢增加.

2.3 切屑形態分析

2.3.1宏觀分析

本研究重點分析切屑產生的過程， 并研究主軸速度對切屑形狀的宏觀影響. 隨著主軸轉速的變化， 得到不同主軸轉速下的切屑形狀如圖8所示.

(a) v主軸=3 000 r·min-1

(b) v主軸=4 000 r·min-1

(c) v主軸=5 000 r·min-1

(d) v主軸=6 000 r·min-1

如圖8(a)所示， 當主軸轉速為3 000 r·min-1時， 出現帶狀卷曲形狀切屑， 內外表面均光滑. 圖8(b)是主軸轉速為4 000 r·min-1時所形成的切屑形態， 切屑形態也沒有太多不同. 因此， 增加主軸速度對形成鋸齒狀切屑的趨勢有很大的影響. 隨著主軸轉速的增加， 切屑程度逐漸增強， 從圖中可以看出， 隨著主軸轉速的增加， 切屑表面材料的擠壓也隨之增大. 在圖8(c)中轉速為5 000 r·min-1時， 明顯出現鋸齒狀切屑. 在圖8(d)中， 切屑的鋸齒程度較窄， 說明隨著主軸轉速的增加， 切屑與刀具前刀面的摩擦增大， 導致切削溫度升高， 同時鋸齒間的齒距逐漸減小. 當主軸轉速增加時， 材料變形使前刀面摩擦系數減小， 易切削， 切削力減小. 這與切削力分析正好對應， 表明切削力隨主軸轉速的增加而減小， 且主軸轉速增加， 切屑鋸齒化越嚴重， 切屑局部剪切變形越大.

2.3.2微觀分析

主軸轉速變化引起的切屑形狀如圖9所示， 形成鋸齒形切屑. 主要原因是隨著主軸轉速的提高， 切削溫度升高， 產生的熱量大部分被切屑帶走， 切屑受到熱軟化作用的影響， 形成鋸齒狀切屑. 從實驗中可以看出， 隨著主軸轉速的增加， 切削速度和鋸齒化的頻率均增加.

(a) v主軸=3 000 r·min-1

(b) v主軸=4 000 r·min-1

(c) v主軸=5 000 r·min-1

(d) v主軸=6 000 r·min-1

當主軸轉速為3 000 r·min-1時， 出現鋸齒狀切屑， 但齒底與齒屑底部的距離較大， 切屑的切屑程度和齒距較小， 且鋸齒形狀較均勻； 當主軸轉速增加到4 000 r·min-1時， 鋸齒狀切屑出現不規則形狀， 切削溫度也逐漸升高. 當主軸增加到6 000 r·min-1時， 鋸齒化程度十分明顯， 鋸齒形切屑也變得規則， 自由表面出現較規則的鋸齒形切屑. 其原因是隨著主軸轉速的增加， 切削溫度的升高， 位錯的運動速度增加， 沿滑帶方向形成鋸齒狀切屑. 從以上分析可以得出， 主軸轉速對集中剪切滑移的影響最大， 集中剪切滑移影響切屑的鋸切程度和齒距. 鎳基高溫合金材料的導熱性能較差是產生集中剪切滑移的主要原因. 局部高溫是在高速條件下產生的， 這導致材料的熱軟化. 在高溫下， 位錯運動克服了變形和硬化的影響. 剪切區的局部強度減小， 形成集中剪切滑移.

每齒進給量的變化對切屑形狀的影響如圖10所示. 隨著每齒進給量的增加， 切屑的鋸齒形更加明顯. 當每齒進給量為0.06 mm·z-1時， 鋸齒形狀不規則， 無剪切滑移帶， 鋸齒度小. 隨著每齒進給量的增加， 材料的去除率也增加， 溫度也隨之增加. 每齒進給量增加到0.08 mm·z-1， 可以清楚地發現鋸齒狀切屑更有規律， 鋸齒狀的程度是顯而易見的. 當每齒進給量增加到0.10 mm·z-1時， 切屑的鋸齒程度顯著， 切屑段形成近似梯形， 腰部較高. 當每齒進給量增加到0.12 mm·z-1時， 相鄰鋸齒之間距離逐漸縮短， 沿剪切滑移帶的運動產生一定程度的變形. 拉力的大小和方向不一致， 沒有明顯的規律性.

(a) fz=0.06 mm·z-1

(b) fz=0.08 mm·z-1

(c) fz=0.10 mm·z-1

(d) fz=0.12 mm·z-1

3 結論

本研究建立了基于JC本構模型和塑性損傷準則的三維銑削模型， 在有限元方法基礎上對鎳基高溫合金Inconel 718銑削過程中切削力、 切削溫度和鋸齒屑的形成機理進行了仿真分析， 發現銑削溫度隨著主軸轉速、 每齒進給量和軸向切深的增加而增加. 但上升的速率卻有所不同， 每齒進給量的增長速率下降， 主軸轉速和軸向切深的增長速率趨于穩定. 主軸轉速對銑削溫度影響最大， 溫度最高達到918 ℃； 切削力會隨著主軸轉速的增加而增大， 最高達到226 N， 然后逐漸減小， 達到217 N. 而切削力隨切削深度和每齒進給量的增加呈比例增加. 分析結果表明， 在鎳基高溫合金Inconel 718銑削過程中， 主軸轉速對鋸齒形切屑形成的影響更為顯著， 隨著主軸轉速的提高， 鋸齒現象更加明顯.