基于ABAQUS 下鈦合金切削仿真技術分析

賈祎杰

（沈陽理工大學， 遼寧 沈陽 110159）

0 引言

本次切削仿真以TC4 鈦合金材料為例，這種鈦合金材料具有良好的機械性能和物理性能，但是鈦合金卻具有獨特的材料屬性，例如在該材料的切削過程中切削溫度和切削摩擦力非常復雜，同時鈦合金切削過程中也涉及到了切削力、切削溫度和切削應力等許多的問題，導致了其在切削加工中被歸類于難加工材料，并且切削過程的溫度和摩擦條件非常復雜，切削過程是一個高度非線性的熱- 力耦合過程[1]。針對這難加工材料采用ABAQUS 進行切削仿真分析研究。通過鈦合金切削仿真分析得出相應的工藝優化方案，為鈦合金加工工藝提供良好的加工方案。

ABAQUS/Explicit 求解器采用的有限元方法為顯示動力有限元方法，主要被應用于沖擊和爆炸產生的短暫和瞬時的動態事件，對加工成形過程的這類高度非線性問題非常有效[2]。因此，本材料使用ABAQUS進行有限元仿真實驗。祁志旭和陳興娟在鈦合金切削加工技術研究進展中將鈦合金加工進行相應的歸類和總結[3]。宋緒浩在鈦合金切削加工表面質量調控研究中提出了鈦合金切削表面質量控制的具體方法[4]。

1 鈦合金切削有限元模型

切削有限元仿真模型分為切削材料的本構模型和切削材料的損傷模型，其中采用Johnson-Cook 模型仿真對切削仿真中的切削材料的本構模型進行構建與分析，切削材料的損傷模型采用Johnson-Cook失效準則模型進行損傷模型構建[5-6]。切削模型中應力和應變是需要考慮的重點，在求解的過程中，應變率和溫度之間的影響也是十分重要且需要著重考慮的。通過模型建立分析可得Johnson-Cook 模型切削材料的本構模型公式如下：

切削仿真中切削材料的損傷按照Johnson-Cook失效準則求解，其中失效準則是一個完全依賴與塑性應變的經驗模型，當累計損傷系數ω 達到1 產生失效。

其中累計損傷系數可由方程求得：

式中：d1～d5為分離參數；σp為主應力平均應力；σe為Mises 應力。

切削的過程中主要考慮切削材料的本構模型和切削材料的損傷模型，通過兩大模型可以確定鈦合金切削的模型，按照模型進行鈦合金切削仿真分析即可。

2 鈦合金切削仿真分析

鈦合金切削仿真中采用TC4 作為本次切削時工件的材料，該材料的密度為4.4 kg/m3，彈性模量為115 GPa，其中工件材料的具體材料參數如表1 所示。

表1 TC4 材料參數

鈦合金切削的過程中刀具采用立銑刀，其中在切削仿真的時候同時對工件和刀具進行網格劃分，工件網格劃分采用六面體，網格劃分的節點為41 877，單元數量為36 800，刀具網格劃分采用四面體，網格劃分節點為3 214，單元數量為14 564。其中網格劃分如圖1 所示。

圖1 刀具與工件網格劃分圖

鈦合金TC4 工件大小為40 mm×40 mm×5 mm，切削的過程中主軸轉速為5 000 r/min，進給量為8 000 mm/s，背吃刀量為2 mm。切削求解主要分析切削仿真的等效應力變化及切削溫度的變化。求解處理后得到切削最大應力為2 818 MPa，最小等效應力為1.451 MPa，仿真分析可得最大切削等效應力為刀具與工件剛接觸的位置，刀具進給切點的方向最大，其余從圓柱刀具兩端逐漸減少，其中切削等效應力圖如圖2 所示，切削等效應力變化曲線如圖3 所示。

圖2 切削等效應力（MPa）變化

圖3 切削等效應力變化曲線圖

鈦合金TC4 切削仿真中溫度的變化也關鍵，在上述切削三要素中切削溫度最大為955.4 ℃，最小切削溫度為29.95 ℃。其中溫度變化曲線從平穩、急劇和平穩三個階段變化，中間切削溫度產生跳躍式變化，切削的最后穩定在一個平穩的溫度節點，超越溫度節點后切削產生破壞失效。其中切削溫度變化圖如圖4 所示，切削溫度變化曲線圖如圖5 所示。

圖4 切削溫度（℃）變化

圖5 切削溫度變化曲線

3 鈦合金切削仿真的意義

鈦合金切削仿真的意義在于通過軟件看見鈦合金的切削狀態，根據改變切削三要素求解出不同狀態的切削模型，每一次改變切削三要素都可以得到相應的力與溫度模型，通過仿真可以判斷出刀具的變形量、轉速、進給量和背吃刀量的改變只有通過仿真能夠實現，調整出最優的參數應用于指導實踐加工生產。所以使用有限元方法可以在加工設計以及對鈦合金產品進行的生產之中使得計算分析變得更為簡便高效，同時也可以顯著降低切削實驗次數以及工作難度，以此來實現降低鈦合金切削的生產成本的目的。同時，使用有限元方法也可以對鈦合金切削刀具角度進行針對性改善，同時對鈦合金刀具的設計及材料的選擇等方面也都具有良好的實踐意義。

4 結語

鈦合金TC4 切削仿真過程中首先建立材料去除模型，然后對工件和刀具進行材料選擇及網格劃分，最后進行切削等效應力和切削溫度進行求解，根據仿真求解的結果來看，切削過程中切入時與工件接觸的等效應力較大，沿著切削點兩側逐漸減少，切削溫度的變化從切削接觸逐漸變大，切削過程達到一個程度后切削溫度又逐漸傾向于穩定溫度。最后鈦合金單一參數的切削仿真可以為結合實際切削多因素仿真提供實踐指導，并總結鈦合金TC4 的切削仿真理論庫。