基于ABAQUS 下高合4169 切削仿真技術分析

侯獻軍

（沈陽理工大學， 遼寧 沈陽 110159）

0 引言

高溫合金的特殊材料屬性決定了加工方法的選擇，高溫合金屬于難加工材料的范疇，雖然具有強度高、化學性能穩(wěn)定和耐腐蝕性等優(yōu)點，但是加工的過程中很難保證刀具的磨損和加工零件的精度要求。王相宇[1]在高溫合金GH4169 的切削加工性評價方法和本構模型研究中提出了高合4169 的加工方法與本構模型的建立。羅凱[2]在高效銑削鎳基高溫合金仿真中將高溫合金的工藝參數進行了優(yōu)化。GH4169 切削加工中切削性差，其主要原因是高溫合金導熱性差、刀具磨損和加工硬化嚴重[3]。因此，針對高合4169 難加工的特性進行切削仿真試驗，得出最優(yōu)的試驗方案結果。

1 高合4169 切削有限元模型及方案設計

1.1 高合4169 切削有限元模型

高合4169 的切削仿真中主要考慮本構模型的建立，高合4169 的切削材料本構模型采用采用Johnson-Cook 模型仿真，模型主要針對應力、應變、溫度和時間的變化，切削仿真在后處理求解的過程中需要考慮應變率和溫度之間的影響。其中材料切削本構模型Johnson-Cook 模型[4]公式如下：

式中：σ 為材料流動應力；A 為屈服應力強度；B 為應力強化常數；N 為應變強化指數；εp為等效塑性應變；C 為應變率強化參數為應變速率；ε 為等效塑性應變；T*=（T-Tr）（Tm-Tr），其中Tr為室溫，Tm為材料熔點；m 為溫度應變靈敏度。

1.2 切削方案設計

在高合4169 的切削仿真中切削三要素的選擇十分重要，切削仿真主要是應用于指導實踐的加工，加工過程中根據高溫合金的材料特性選擇加工方法，仿真試驗是無限的靠近實際加工，在切削仿真中切削速度、背吃刀量和進給量的選擇依據實際加工參數。本切削仿真選擇三組水平試驗，最終對切削仿真結果進行對比得出最優(yōu)的試驗方案，試驗設計方案表如表1所示。

2 高合4169 切削仿真分析

高溫合金在切削仿真中工件采用的材料為高合4169，其中高合4169 的密度為8.24 kg/m3，彈性模量為120 GPa，高合4169 的具體材料參數如表2 所示。

表2 高溫合金材料參數

高合4169 切削仿真時采用Φ5 mm 的立銑刀，刀具在切削仿真中為剛體結構，工件的尺寸為15 mm×8 mm×8 mm，刀具網格劃分采用四面體進行網格劃分，其中網格節(jié)點數量為4 265、單元數量為19 798；工件網格劃分采用六面體進行網格劃分，其中網格節(jié)點數量為81 344、單元數量為75 640。單元數量為14 564，其中刀具與工件的網格劃分如圖1 所示。

圖1 刀具與工件網格劃分

第一組高合4169 試驗仿真如下：仿真切削過程中主軸轉速為600 r/min，背吃刀量為2 mm，進給量為200 mm/min，切削速度為9.42 m/min。ABAQUS 切削仿真中對參數設定后進行后處理求解，求解分析主要針對切削產生的等效應力和切削溫度變化，其中切削最大等效應力為1.753×103MPa，最小等效應力為2.913 MPa。等效應力最大為刀尖與工件接觸的地方，刀具與工件切削的過程中已加工面等效應力逐漸減少，根據等效應力變化圖分析可得應力在切削的過程中為瞬態(tài)變化，其中高合4169 切削等效應力圖如圖2 所示。

圖2 切削等效應力（MPa）變化

高合4169 在切削仿真中切削溫度的變化也是考慮的關鍵，在第一組仿真參數下切削溫度最大為474.8 ℃，最小切削溫度為30 ℃。每一個單元溫度變化從一開始的30 ℃跳躍式變化到一個恒定的溫度層，隨后保存切削溫度平穩(wěn)的特性，切削溫度變化圖如圖3 所示。

圖3 切削溫度（℃）變化

第二組高合4169 試驗仿真如下：仿真切削過程中主軸轉速為1 000 r/min，背吃刀量為0.5 mm，進給量為200 mm/min，切削速度為15.71 m/min。ABAQUS切削仿真中對參數設定后進行后處理求解，求解分析主要針對切削產生的等效應力和切削溫度變化，其中切削最大等效應力為1.705×103MPa，最小等效應力為1.944 MPa。根據等效應力變化圖分析可得應力在切削的過程中為瞬態(tài)變化，其中高合4169 切削等效應力圖如圖4 所示。

圖4 切削等效應力（MPa）變化

高合4169 在切削仿真中切削溫度的變化也是考慮的關鍵，在第二組仿真參數下切削溫度最大為443.1 ℃，最小切削溫度為30 ℃。每一個單元溫度變化從一開始的30 ℃跳躍式變化到一個恒定的溫度層，隨后保存切削溫度平穩(wěn)的特性，其中切削溫度變化圖如圖5所示。

第三組高合4169 試驗仿真如下：仿真切削過程中主軸轉速為1 200 r/min，背吃刀量為0.1 mm，進給量為300 mm/min，切削速度為18.85 m/min。ABAQUS切削仿真中對參數設定后進行后處理求解，求解分析主要針對切削產生的等效應力和切削溫度變化，其中切削最大等效應力為1.578×103MPa，最小等效應力為1.318 MPa。等效應力最大為刀尖與工件接觸的地方，根據等效應力變化圖分析可得應力在切削的過程中為瞬態(tài)變化，其中切削等效應力圖如圖6 所示。

圖6 切削等效應力（MPa）變化

高合4169 在切削仿真中切削溫度的變化也是考慮的關鍵，在第三組仿真參數下切削溫度最大為166.8 ℃，最小切削溫度為30 ℃。每一個單元溫度變化從一開始的30 ℃跳躍式變化到一個恒定的溫度層，隨后保存切削溫度平穩(wěn)的特性，其中切削溫度變化圖如圖7 所示。

圖7 切削溫度（℃）變化

3 結語

通過對高合4169 切削仿真分析可得，切削仿真采用三組對比試驗仿真，設置不同的主軸轉速、背吃刀量、進給量和切削速度進行高合4169 的切削仿真試驗，后處理求解主要針對切削過程中的切削等效應力和溫度變化情況分析，等效應力的分析中每一個節(jié)點單元在切削的一瞬間成跳躍式變化，切削溫度從初始溫度30℃開始變化，初始溫度以后跳躍變化到最高切削溫度然后維持水平溫度變化。切削等效應力在背吃刀量減小時應力變化間隙變寬，最高切削應力變小。在加工高合4169 的時候采用特殊的冷卻液避免產生高溫度變化加劇刀具磨損，降低背吃刀量可以減少溫度變形，低轉速和低進給的方式進行切削對去除材料產生大變形得以控制，加工后的整體表面質量才能得以控制。