銑削參數(shù)對(duì)TC4 鈦合金銑削殘余應(yīng)力影響的仿真研究

呂 償

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510450）

0 引言

TC4 鈦合金具有良好的抗腐蝕性，且剛性好、強(qiáng)度高［1］，廣泛應(yīng)用于航空［2］、航天［3］、海洋［4］、汽車［5］等工業(yè)領(lǐng)域。采用硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，銑削速度一般控制在30 ～50 m/min［6-7］。當(dāng)銑削速度大于60 m/min時(shí)，刀具磨損程度加劇，被加工表面粗糙度明顯增大，切削穩(wěn)定性明顯下降［8-9］。且銑削過程中，刀具與工件之間相互作用力、摩擦熱等因素使已加工的鈦合金表面分布?xì)堄鄳?yīng)力降低鈦合金加工質(zhì)量［10-11］和幾何穩(wěn)定性［12-14］。因此，探索一種合理的銑削參數(shù)加工TC4 鈦合金既能延長(zhǎng)刀具使用壽命，又能提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，具有一定的研究意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在探索銑削參數(shù)對(duì)金屬銑削性能的影響已做了大量的研究，綜上研究成果發(fā)現(xiàn)，早期國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究立銑刀結(jié)構(gòu)時(shí)主要以單因素水平做對(duì)比試驗(yàn)且多以2D 銑削仿真為主，在仿真分析中作了適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃?jiǎn)化。而對(duì)于平底立銑刀而言，當(dāng)高速銑削時(shí)刀具自身尺寸在同一角速度下所產(chǎn)生不同線速度，不能忽略不同線速度下刀刃銑削工件表面產(chǎn)生的應(yīng)力差值，是二維銑削仿真所不能體現(xiàn)。

本文旨在通過Abaqus有限元仿真軟件，建立硬質(zhì)合金4 刃等距平底立銑刀銑削TC4 鈦合金3D有限元模型，根據(jù)實(shí)際鈦合金加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多種加工工況，探索不同銑削參數(shù)對(duì)銑削后工件表面殘余應(yīng)力（Residual Stress）的影響，通過多角度分析銑削槽殘余應(yīng)力σr的分布規(guī)律，提高鈦合金加工效率及加工質(zhì)量，以期為銑削TC4 鈦合金采用硬質(zhì)合金刀具銑削時(shí)銑削參數(shù)的選擇上提供參考。

1 Abaqus仿真建模

在實(shí)際金屬銑削中諸如機(jī)床動(dòng)靜剛度、加工工藝參數(shù)、刀具特性、冷卻方式等均對(duì)銑削產(chǎn)生一定影響。

金屬銑削仿真屬顯式非線性動(dòng)力學(xué)分析，在高度貼合實(shí)際銑削工況下建立簡(jiǎn)要的有限元模型，并提出如下幾點(diǎn)假設(shè)：①將刀具的角速度、進(jìn)給速度作為載荷，刀具在銑削過程中加速度為0 m/s；②工件處于靜態(tài)；③銑削過程連續(xù)；④忽略銑削過程中因溫度引起金相組織的變化，對(duì)TC4 鈦合金物理性能及化學(xué)成分不產(chǎn)生影響。

基于以上幾點(diǎn)假設(shè)建立的刀具及工件有限元模型如圖1 所示。為提高仿真精度及計(jì)算效率，對(duì)工件被銑削部分采取精細(xì)網(wǎng)格劃分，未銑削部分采用粗略網(wǎng)格劃分。

圖1 工件和刀具有限元模型

2 銑削仿真參數(shù)

2.1 刀具參數(shù)

加工鈦合金時(shí)，普遍采用硬質(zhì)合金刀具，以SolidWorks建立了刀具三維模型，刀具半徑為10 mm，徑向前角10°，徑向后角8°，螺旋角40°的4 刃右旋等齒距刀具。

2.2 材料的本構(gòu)模型

銑削加工仿真屬于大變形分析，工件TC4 鈦合金的本構(gòu)關(guān)系模型選擇典型的Johnson-cook 本構(gòu)模型［15］，其流動(dòng)應(yīng)力

式中：σs為準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度；B為應(yīng)變硬化參數(shù)；εp為等效塑性應(yīng)變；n為硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)；為等效塑性應(yīng)變率為材料的參考應(yīng)變率；T0為常溫系數(shù)，通常取25 ℃；Tmelt為材料熔點(diǎn)；m為熱軟化參數(shù)。本文仿真采用的工件材料TC4 鈦合金，Johnson-cook本構(gòu)模型參數(shù)及物理性能如表1、2所示。

表1 TC4 鈦合金Johnson-cook本構(gòu)模型參數(shù)

表2 TC4 鈦合金物理性能

2.3 銑削參數(shù)計(jì)算

根據(jù)實(shí)際加工為參照，以被銑削材料的物理性能，刀具的耐磨性、加工效率及使用壽命為依據(jù)，制定合理的背吃刀量、進(jìn)給速度、銑削速度（角速度）。其中由主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算刀具角速度計(jì)算公式為

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)硬質(zhì)合金刀具銑削鈦合金加工經(jīng)驗(yàn)，取值范圍為2500 ～3000 r/min，故ω的范圍216 ～314 rad/s。進(jìn)給速度的計(jì)算式為

式中：f為每齒進(jìn)給量，根據(jù)硬質(zhì)合金刀具取經(jīng)驗(yàn)值f=0.15 mm/r；z為刀具齒數(shù)z=4。由此，vf的范圍為1500 ～1800 mm/min。

2.4 銑削正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)銑削參數(shù)計(jì)算結(jié)果，背吃刀量取經(jīng)驗(yàn)值范圍為0.5 ～2.5 mm，所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)的水平與因素

2.5 位移邊界條件及載荷

在工件底部邊界施加全約束（自由度為0）如圖2所示。由圖可見，刀具具有2 個(gè)自由度，即繞刀具軸線方向的轉(zhuǎn)動(dòng)、沿走刀方向（Y軸）的直線移動(dòng)，將表3 中的角速度、進(jìn)給速度施加于參考點(diǎn)作為輸入載荷。

圖2 工件施加邊界條件

3 銑削TC4 鈦合金仿真結(jié)果分析

由表3 所設(shè)計(jì)的3 種工況條件下，在已建立的有限元模型中分別計(jì)算出銑削TC4 鈦合金時(shí)整體mise應(yīng)力云圖，如圖3 所示。

圖3 工件銑削過程中的mise應(yīng)力云圖

3.1 被銑削表面整體應(yīng)力分布情況

當(dāng)?shù)毒哐豗軸方向銑削，銑削過程中產(chǎn)生的應(yīng)力不斷變化，銑削結(jié)束后銑削應(yīng)力趨于穩(wěn)定。由圖3 可知，最大的銑削應(yīng)力分別為3.12、3.25、3.01 GPa，工件被銑削表面靠近進(jìn)刀槽一側(cè)的σr大于靠近退刀槽一側(cè)的σr；在銑削槽進(jìn)刀處亦分布較大的應(yīng)力，即在銑削槽幾何變形突變處均分布較大應(yīng)力。由此，分析銑削槽σr時(shí)以銑削槽進(jìn)給方向及進(jìn)（退）刀槽處作為重點(diǎn)觀察區(qū)域，探討σr分布規(guī)律。

3.2 在刀具進(jìn)給方向的σr 分布

為研究銑削參數(shù)對(duì)銑削區(qū)域σr的影響，繪制了工件、銑削槽及參考坐標(biāo)系示意圖如圖4 所示。選取沿刀具進(jìn)給方向（Y軸）的路徑節(jié)點(diǎn)，選取原則基于銑削后工件表面沿Y軸方向均勻分布的5 個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值反映工件表面銑削后的σr，其分布情況如圖5所示。由圖5 可知，3 種工況下，沿刀具切削方向最大σr值分別為1990.31、1920.04、2489.03 MPa，平均σr絕對(duì)值分別為832.52、805.73、728.35 MPa。綜合3種工況可知，隨進(jìn)給速度、角速度增大被銑削工件表面最大σr值亦增大，而平均σr值卻逐步減小。當(dāng)銑削路徑值超過2 ～3 mm時(shí)，銑削σr值急劇增大，而當(dāng)銑削路徑超過6 mm 時(shí)被銑削工件表面的σr值開始下降趨于平穩(wěn)。對(duì)比3 種工況，在工況3 時(shí)刀具進(jìn)給方向被銑削工件表面的σr普遍小于另外2 種工況。

圖4 銑削槽及坐標(biāo)示意圖

圖5 沿銑削方向被加工表面σr 分布

3.3 進(jìn)（退）刀槽處σr 分布

進(jìn)（退）刀槽在銑削過程中因其幾何形狀突變，易引起應(yīng)力集中，故在進(jìn)（退）刀槽拾取路徑節(jié)點(diǎn)以觀察其σr值。在刀具進(jìn)給方向?yàn)榉ㄏ颍ㄒ妶D4）X軸方向，沿進(jìn)（退）刀槽拾取每個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)作為觀察對(duì)象。分別在3 種工況下由Abaqus軟件導(dǎo)出進(jìn)（退）刀槽路徑節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，繪制了所拾取路徑上σr的分布圖，如圖6 所示。由圖可知，3 種工況下均出現(xiàn)路徑中間區(qū)域所分布的σr普遍小于兩側(cè)的σr。對(duì)比3 種工況，工況3的σr分布值相較于另外2 種工況平緩，即中間區(qū)域應(yīng)力與兩側(cè)應(yīng)力差值較小。

圖6 進(jìn)（退）刀槽σr 分布

3.4 進(jìn)刀槽縱向深度的σr 分布

縱向深度即圖4 中Z軸負(fù)向，縱向深度σr值一定程度上影響銑削表面粗糙度，3 種工況分別拾取5 條縱向深度路徑觀測(cè)其σr的分布情況如圖7 所示。3種工況下，縱向深度的σr表層應(yīng)力值較大，沿銑削表面Z軸負(fù)向0.2 ～0.25 mm區(qū)域時(shí)σr值達(dá)到最大，隨后逐步減小，當(dāng)距離銑削面沿Z軸負(fù)向0.5 mm 時(shí)σr絕對(duì)值開始減小隨之趨于平穩(wěn)，當(dāng)縱向深度超過2 mm時(shí)縱向深度σr絕對(duì)值下降至300 MPa。對(duì)比于3 種工況，工況1 的σr值小于另外2 種工況，且更快收斂。由此表明，工況1 時(shí)縱向深度的σr值對(duì)其銑削面粗糙度影響較小。

圖7 進(jìn)刀槽縱向深度拾取路徑上σr 分布

3.5 退刀槽縱向深度的σr 分布

以參照進(jìn)刀槽縱向深度觀測(cè)其殘余應(yīng)力值的方法，在退刀槽處均勻拾取5 個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)以觀測(cè)其σr在縱向深度的分布情況如圖8 所示。由圖可知，3 種工況下總體上隨縱向深度增加其σr值隨之減小，工況1和工況2 其退刀槽縱向深度σr最大值距被銑削面0 ～0.2 mm處，隨縱向深度增加σr值逐步減小。

圖8 退刀槽縱向深度拾取路徑上σr 分布

4 結(jié)論

基于Abaqus有限元軟件對(duì)TC4 鈦合金三維銑削仿真研究其結(jié)果表明，在沿刀具進(jìn)給方向被銑削工件表面σr值逐步減小，即靠近進(jìn)刀槽區(qū)域的σr值小于靠近退刀槽區(qū)域的σr值。進(jìn)刀槽處的σr值高于退刀槽處的σr值。觀測(cè)進(jìn)刀槽與退刀槽縱向深度的σr值發(fā)現(xiàn)，即隨縱向深度增加σr值逐步減小。綜合文中3種工況參數(shù)，當(dāng)角速度ω=314 rad/s、vf=1800 mm/min（工況3）時(shí)各觀察指標(biāo)中的σr相對(duì)較小，對(duì)加工后的可能產(chǎn)生的幾何變形、銑削面粗糙度影響較小。

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，科技是戰(zhàn)勝困難的有力武器。面對(duì)突如其來的新冠肺炎疫情，全國(guó)科技工作者迎難而上、攻堅(jiān)克難，在臨床救治、疫苗研發(fā)、物質(zhì)保障、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面夜以繼日攻關(guān)，為疫情防控斗爭(zhēng)提供了科技支撐。希望全國(guó)科技工作者弘揚(yáng)優(yōu)良傳統(tǒng)，堅(jiān)定創(chuàng)新自信，著力攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，勇于攀登科技高峰，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——2020 年5 月29 日，習(xí)近平給袁隆平、鐘南山、葉培建等25 位科技工作者代表的回信