刀具前角對高溫合金GH4169高速切削過程影響

鄧志博，王哲，豆衛濤，盧竹青

摘 要：為改善難加工材料高溫合金GH4169切削加工效率，研究了刀具前角對高溫合金GH4169切削過程的影響規律。結果表明，刀具前角有利于改變切屑和刀具的接觸距離，隨著刀具前角的增大，切削力和切削溫度不斷降低。隨著刀具切削的接觸長度變短，刀具磨損率不斷降低，刀具耐用度提高。

關鍵詞：刀具前角;GH4169;切削力;切削溫度;刀具耐用度

中圖分類號：TU755.6 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0128-04

Analysis of the Influence of Tool Rake Angle on High-Speed Cutting Process of Superalloy GH4169

Deng Zhibo1， Wang Zhe1， Dou Weitao1， Lu zhuqing2

（1.Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710000， China;

2.Western Superconducting Technologies Co.， Ltd.， Xi an 710000， China）

Abstract：In order to improve the cutting efficiency of superalloy GH4169， the influence of cutting front angle on superalloy GH4169 cutting process is studied. The results show that the front angle of the tool is beneficial to change the cutting chip and the tool contact distance. As the contact length of the tool cutting becomes shorter， the tool wear rate decreases and the tool durability improves.

Key words：tool front corner; GH4169; cutting force; cutting temperature; tool durability

0 前言

高溫合金GH4169因其具有強度高，耐高溫等性能，被廣泛的應用于航空航天工業中渦輪盤和葉片等部件[1]。但其切削加工難度大，主要表現在切削力大，導熱性差，刀具磨損嚴重[2]。為了解決其切削加工性，國內外學者針對GH4169開展了多項研究。王哲等（2020）研究了切削三要素對GH4169切削過程中切削力和切削溫度的影響規律，并采用遺傳優化算法對切削參數優化分析[3]。范孝良等（2016）建立了GH4169二維正交切削有限元模擬，采用有限元仿真和試驗對比的手段對鋸齒形切屑形態進行了研究[4]。韓俊峰等（2020）針對GH4149磨削過程進行了試驗研究，發現磨削速度對殘余應力影響較大，而磨削進給量和磨削背吃刀量對工件的殘余應力影響較小[5]。郭勝華等（2018）研究了GH4149表面噴丸強化，隨著噴丸時間的延長，工件表層顯微強度和表面粗糙度不斷提高，噴丸直徑越大，表面粗糙度越低[6-7]。本文針對GH4169高溫合金材料研究了高速切削過程中，刀具前角到切削力、切削溫度和刀具磨損率的影響規律。

1 試驗設計

本試驗采用的切削仿真模型包括刀具和工件兩部分。工件的長度為5 mm，寬度為3 mm;刀具長0.5 mm，高度為0.5 mm，尖圓弧半徑為0.016 mm。工件采用的是“前進四邊形”網格單元技術，該網格生成器首先沿給定輪廓邊界的邊界創建元素，網格創建將繼續向內進行，直到整個區域都被網格化為止[8]。使用的元素數量約為8 000，最小元素大小設置為0.001 mm。在工具尖端周圍使用了更細的網格，材料在此處分離，刀具約10 000個單元，且最小元素大小為0.001 mm，如圖1所示。為研究刀具前角對高溫合金GH4169切削過程影響的分析[9]，本次試驗進行了單因素變量對比試驗，具體試驗方案參數如表1所示。

1.1 材料參數

切削過程是在高應變和高應變速率下進行，應變大小、應變速率和溫度對材料流動應力有很大的影響。工件材料的熱塑性變形行為可用Johnson-Cook本構模型描述，本構定律如式（1）：

式（1）中，A為屈服應力;B為應變硬化常數;C為應變率相關系數;m為熱軟化系數;n為應變強化指數; 為等效塑性應變;為等效塑性應變速率;為應變率參量1.0 s-1;Tm是材料的熔化溫度1 344℃;Tr是室溫20℃;T是工件溫度。

表2列出了Johnson-Cook的本構參數[10];表3列出了刀具和工件材料的物理和熱機械性能[11]。

1.2 摩擦模型

摩擦模型主要應用在刀具和工件相互作用的過程中，它影響著切削熱的生產和切屑形態的變化。在實際切削過程中，刀具前刀面與切屑接觸密切，容易形成高溫高壓區域[12-13]，刀具前面和工件的相互作用可以分為粘接摩擦區和滑動摩擦區，結果如圖2所示。

如圖2所示，在刀尖附近，前刀面與切屑接觸正應力很大，大于材料的臨界剪切應力，摩擦應力為常量，此區域為粘結摩擦區域;與粘接摩擦區域相鄰的區域為滑動摩擦區域，刀屑接觸正應力較小，摩擦力與正應力呈正比例，摩擦系數不停改變，如式（2）：

式（2）中：τn 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0.6。

1.3 斷裂準則

斷裂準則為了說明材料中的斷裂，斷裂準則基于斷裂應變能量或累積的塑性應變，并且當元素中達到斷裂準則時，可通過從模型中刪除該元素來停用該元素。本文以Cockroft & Latham材料破壞準則[14]作為仿真材料斷裂準則，如式（3）：

式（3）中，σ*為最大主應力;εe為等效應變;W為材料的破壞值。

2 試驗結果與分析

2.1 刀具前角對切削溫度的影響

在高速切削過程中，刀具角度對切削溫度的影響如圖3、圖4所示。

由圖4可知，當刀具前角為-4°，切削溫度最高達到850℃，切削溫度隨著刀具前角的增大而減小;當刀具前角為4°，切削溫度降低到762℃。這是因為刀具的前角增大，金屬變形的剪切角增大，金屬塑性變形減小，所產生的塑性變形能量減小，切削溫度降低。

2.2 刀具前角對切削力的影響

在高速切削過程中，刀具角度對切削力的影響如圖5所示。由圖5可知，最高切削力值在前角為-4°觀察到，其大小為380 N。而在前角為4°時，切削力降為最低值275 N。可以得出，切削力均隨著前角的增加而減小。這是由于在金屬切削過程中，前角的增加通常會導致刀具—切屑界面的長度變短，較短的刀具—切屑界面意味著較小的變形，沿著前刀面的摩擦力也減小，切削力隨之降低。

2.3 刀具前角對刀具磨損率的影響

刀具模型主要集中在前刀面和后刀面，并且后刀面的磨損率大于前刀面的磨損率，如圖6所示。由于前刀面和切屑在相互接觸區域產生較大的溫度和摩擦力，加速了前刀面的磨損。在后刀面區域，刀具的磨損區域主要接近于刀尖位置處，這主要是由于后刀面與已加工表面相互作用引起的磨損。

刀具前角和刀具磨損率的相互作用規律如圖7所示，從圖7可以得出，隨著刀具前角的增加，刀具的磨損率不斷降低。這主要是由于刀具前角增大，切削過程中切屑的剪切角減小，刀具同切屑界面的長度變短，切削力和切削溫度降低，刀具磨損減小，刀具耐用度提高。

3 結語

本文采用有限元切削仿真方法，研究了刀具前角對切削力、切削溫度和刀具磨損率的影響。結果表明，刀具前角在-4°至4°內，隨著刀具前角的增大，刀具和工件產生的切屑接觸長度變短。此二者之間的摩擦力減小，切削力減小和切削溫度降低。隨著刀具切屑的接觸長度變短，刀具磨損率不斷降低，刀具耐用度提高，同時后刀面的磨損率大于前刀面的磨損率。

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