基于有限元分析的高溫合金切削工藝參數優化*

衛 官 ，黃志偉

（濟源職業技術學院機電工程學院，河南 濟源 459000）

1 概述

近年來，由于對飛機的性能要求越來越高，航空航天部件的材料也在發生變化，以減輕重量、提高機動性、增加載荷和延長使用壽命。航空航天部件中的中高溫合金含量在航空發動機和飛機結構部件中占有重要地位。然而，高溫合金是一種比較難加工的工件。其具有結構復雜、壁厚大、尺寸精度高、金屬去除量大等特點。在加工工藝中，如何確保加工效率、加工精度和安全性是關鍵問題。目前，國內的高強度難加工材料在制造中的應用水平較低，與高強度的加工要求之間存在著巨大的矛盾，成為制約航空行業發展的重要因素。因此，開展難加工材料高效加工研究是航空工業的一個重要課題[1]。

鎳含量超過50%的高溫合金稱為鎳合金。鎳基高溫合金能在650 ℃~1 000 ℃下抵抗氧化和氣體腐蝕，并能承受各種復雜應力和惡劣環境，是飛機發動機和火箭發動機的重要材料。鎳基高溫合金加工困難，主要原因有：切削力大、切削溫度高、硬化困難、切削速度快、加工硬化困難及刀具磨損嚴重。前角、后角和鈍圓半徑對材料的變形影響很大[2-3]。

高溫合金切削時，隨著切削溫度的升高，切削力的增大，刀具的磨損將會對工件的加工效果和表面質量產生不利的影響。本研究的目標是GH4169高溫合金，采用有限元方法對其進行了力學分析和數值模擬。本文數值模擬了切削參數對GH4169殘余應力、溫度場分布和切削力的影響，模擬了GH4169在不同切削速度下的磨損，并用單因素法和磨損法對模擬結果進行了驗證，為其今后在航空航天等方面的應用提供了一定的理論依據和技術支撐[4-5]。

2 鎳基高溫合金切削有限元建模

高溫合金具有良好的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、斷裂韌性和塑性等性能。但是，切削力大，切削溫度高，切削變形大，刀具易磨損。因此，對高溫合金的切削溫度進行研究，可以有效地降低刀具的磨損，改善零件的表面質量。近年來，人們對高溫合金刀具的切削熱進行了大量的研究，以探討其磨損機制，從而延長其工作壽命。肖茂華等[6]對鎳基體高速銑削加工時的切削能量進行了分析，得出了切削功率、功率比及熱損率?？追蚕嫉萚7]利用微潤滑振動鉆削技術，從換熱機理出發，分析了冷卻機制，并對比傳統鉆孔的試驗，較好地解決了鉆削和切削工具的高速磨損問題。Kasim等利用球磨機對Inconel 718高溫合金進行了研磨和仿真試驗，分析了切削溫度及刀具磨損的影響。Coelho等對Inconel 718高溫合金高速車削時，刀具刃型對刀具磨損、表面粗糙度及切削溫度的影響進行了研究。目前，在高溫合金切削溫度的研究中，尚未優化最佳工藝參數，不利于確定最佳工藝參數。因此，采用切削模擬和遺傳算法對切削用量進行優化，確定最佳切削用量的選擇。在此基礎上，實現了最佳切削量的優化選擇，并在一定程度上降低了刀具的最高溫度。

在實際加工中，影響加工精度和表面質量的因素很多，因此加工效率受到嚴重的影響。馬天宇等[8]介紹了E1EFBNJ H加工GH4169的切削機理，對GH4169的切削工藝進行了有限元仿真，研究了切削溫度、切削力、切削形狀等因素對切削加工的影響。課題組對有關參數進行了切削試驗，并將模擬值與試驗值進行了對比，從而進一步證實了模擬計算的準確性。

2.1 有限元切削模型的建立

DEFORM-3D EF的坡口采用STL格式，采用UG軟件建立了模具的三維幾何模型，并給出了相應的STL格式。在變形模擬軟件中引入了此模型。在刀具的幾何模型中，僅顯示刀片的位置，以節約計算時間，便于局部顯示。

工件的幾何模型是預先保留最后一個刀具形狀，以觀察當前刀具加工。將零件和工具的建模方法應用到DEFORM中，并對其進行網格分割。房間起初是用一個相對的柵格來劃分的。最小的網眼大小是0.061 6 mm，總的單位是51 435；葉片數量為13 308，尺寸比為4。在不影響計算精度的情況下，當葉片和上片的安全系數達到網格寬度的1/2時，會發生較大的變形，從而保證計算精度，縮短計算時間。該工具為剛體，工件材料GH4169用作彈性材料[9]。

2.2 切削溫度分析

切削溫度是影響刀具壽命的重要因素。在仿真過程中，材料的彈性變形和工具與工具的摩擦是產生熱的主要原因。在進刀速度下，切削深度ap=0.11 mm，切削速度Vc=96 m/min時，熱區的一次變形和二次變形是兩種主要的控制因素。一次變形區域的切削溫度主要由切削剪切變形決定并以條帶形式存在，二次變形區域的切削溫度主要由刀具和切削界面的摩擦力決定。在切削過程中，整個切削區最高溫度約650 ℃，刀盤最高溫度約500 ℃，工件表面溫度相對較低。

2.3 殘余應力分析

在加工過程中，由于殘余應力的存在，加工工件的疲勞強度、靜強度、應力侵蝕等都會導致零件表面出現細小的裂縫，進而縮短零件的使用壽命。在進給速度Vf=0.11 mm/r、切削深度ap=0.2 mm、切削速度Vc=96 m/min時，隨著深度的增大，殘余應力逐漸降低。在切削初始階段，殘余應力呈現拉伸狀態。當距離切削面小于0.05 mm時，拉應力表現為壓應力；當距離切削面大于0.05 mm時，其呈現壓縮應力，并隨距離的增加而減小。殘余壓應力隨著深度的增加而增加，然后殘余應力層中出現一個小的壓應力，約為0.4 mm~0.8 mm，當深度小于0.4 mm時，殘余應力消失，材料結構恢復正常狀態。

2.4 刀具磨損的仿真

在PCBN刀具GH4169切削時，由于刀具磨損增加，切削溫度增加，切削力增加。為此，采用有限元法建立了PCBN刀具磨損預測模型，該模型作為輸出狀態變量（T、V等）的函數，并采用USUI的磨損率模型進行仿真計算：

當切削速度為120 m/min，進給速度為0.15 mm/r，后進給速度為0.2 mm/r時，可以看到葉片體的磨損。刀具的前表面呈月牙形的凹面，PCBN刀具表面的紅色硬度使其在高溫、高壓下產生了新的月牙狀磨損，最大等效應力場出現在葉片體正面主葉片附近，并沿葉片體主體偏離方向逐漸減小，分布相對均勻；在這里，選擇了80 m/min、120 m/min和160 m/min的不同切削速度。在120 m/min的切削速度下，刀具磨損最小，新月形磨損最小；當切削速度為160 m/min時，刀盤出現一定程度的斷裂，隨著切削速度的增大，刀具的磨損也隨之增大。然而，當切削速度為80 m/min時，刀具的磨損會增大，這主要是切削速度太低造成的，導致刀具損壞并影響刀具的使用壽命。

2.5 切削參數對仿真過程的影響

本文以GH4169為例，利用有限元方法建立了合理的切削模型，對其切削機制進行了研究。包含切削速度、進給速度、切削深度等，并對GH4169切削加工過程中切削壓力、切削溫度等進行了研究。研究發現，隨著切削速度的增大，刀具的最高溫度和表面溫度也隨之上升。在送料和切削深度方面，切削的表面溫度和速度都有增大的趨勢，但切削的形狀不會隨著進料速度和深度的改變而有明顯的改變。

當切削速度在120 m/min以下時，切削力隨切削速度的增大而降低，切削力、軸向作用力都會增加，但增加幅度很小。在切削速度為100 m/min~120 m/min時，切削力、徑向力、軸向力均為標準值以下。當切削深度增大時，切削力增大。軸向和徑向作用力均有較大的增加。主要切削力的增大趨勢趨于平穩；軸向的作用力比剪切力、徑向作用力都要大。在0.35 mm的切削深度下，其徑向作用力比主切削力大。隨著送料速度的增大，剪切力并未發生明顯的改變，這說明送料速度的改變對剪切力的影響不大。切削面積隨進刀速度的增大而增大，使其產生形成力和摩擦，進而造成切削力的增加。但是，當切削速度、切削溫度升高時，切削液會發生較大的變化，同時，切削液所影響的切削厚度也會增加，導致切削力減小。

3 有限元仿真結果的驗證

在此基礎上，用瑞士KISTLER公司的9257B三通壓電壓力表測試切削力，或用沈陽第一機床廠的CA6140測試切削力。切削力隨切削速度的增大而降低，主切削力比徑向和軸向作用力大，而主切削力和軸向作用力的影響較小，能較好地控制徑向作用力，改善表面粗糙度。切削速度為120 m/min時，切削力、徑向力、軸向力均比較小[10]。隨著切削速度的增大，切削液的熱損失速率增大，同時，對刀具和工件的加熱也相應增大。切削熱的輸入率與切削液的機械特性，尤其是熱傳導率有很大關系，因此在高速切削過程中，可以顯著地提高切削溫度。在100 m/min~120 m/min的切削速度下，可以得到更好的加工表面質量，從而延長刀具的使用壽命。送料速度的改變不會對三個方向的剪切力產生明顯的影響，但是軸向作用力的減少比主剪切力和徑向作用力的減少要大。研究發現，當進給速度為0.14 mm/r時，主剪切力、徑向作用力、軸向力均隨著進給速度的提高而增大。對切削加工進行了全面分析，發現進給速度在0.15 mm/r~0.2 mm/r范圍內時，能有效地降低切削溫度，減小切削力，延長刀具使用壽命。

當切削深度為0.25 mm~0.35 mm時，其軸向作用力比主切削力和徑向作用力大，徑向作用力比主切削力大，切削條件比較平穩，不會有很強的振動。切削深度在0.35 mm以上時，切削液的振動會比較大。因此，切削深度參數更適合在0.25 mm~0.35 mm范圍內。

4 結語

綜上所述，采用DEFORM-3D對GH4169合金進行了三維切削建模，對比分析了切削速度、進給速度、切削深度等參數的變化，仿真分析了刀具和切削溫度的變化特性，并對仿真結果進行了單因素測試。研究成果如下：

1）利用有限元仿真與試驗數據進行比較，得到了切削力與切削溫度之間的關系。切削深度對切削力的影響最大，其次是切削速度，最后是進刀速度；隨著切削速度的提高，切削力降低，切削深度增加。切削溫度隨切削速度、進給速度、切削深度的增大而增大。

2）通過磨損試驗和模擬分析，發現新月形凹陷磨損只發生在葉片附近。在120 m/min的切削速度下，PCBN刀具的磨損最小。

3）通過仿真和試驗分析，確定了切削速度為100 m/min~120 m/min，進給速度為0.15 mm/r~0.2 mm/r，切削深度為0.25 mm~0.35 mm。