激光加熱輔助車削高溫合金薄壁件變形仿真及試驗研究

摘 要：機匣件作為航空發動機的重要零部件，是一種典型的薄壁件，其尺寸大、壁薄以及剛性低等特點使得在加工過程中容易發生工件變形、刀具震顫，造成加工精度不達標，以及加工表面質量差等問題。本文建立高溫合金常規車削與激光加熱輔助車削模型，并通過試驗驗證了模型的準確性。模型最大誤差為10.1%，最小誤差為5.5%，平均誤差為7.8%，處于可接受范圍。然后建立常規車削與激光加熱輔助車削薄壁件模型，研究激光加熱輔助車削對薄壁件變形的影響。研究結果表明，與常規車削相比，當激光照射溫度達到650℃以上時，激光加熱輔助車削切削力分別下降了20.2%、19.8%和15.2%。激光加熱輔助車削能夠降低車削薄壁件過程中的加工變形。與常規車削相比，激光加熱輔助車削薄壁件時，加工變形量分別降低了15.6%、12.7%和13.3%。

關鍵詞：激光加熱輔助車削； 高溫合金； 薄壁件

中圖分類號：V261.8 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.02.009

基金項目： 航空科學基金（2019ZE054005）；中國航發自主創新基金（ZZCX-2019-019）；沈陽市科技局計劃項目（RC210439）

鎳基高溫合金由于其卓越的高溫強度、抗氧化、抗熱腐蝕，以及抗疲勞等綜合性能，已成為航空發動機薄壁件的關鍵材料[1-2]。航空發動機機匣件作為一種典型的薄壁件[3]，擁有尺寸大、壁薄以及剛性低等特點。而且由于高溫合金自身高強度的特點，加工高溫合金時易產生高切削力和高切削溫度，因此，在加工高溫合金薄壁件過程中容易發生工件變形、刀具震顫，造成薄壁件加工精度不達標以及加工表面質量差[4]。因此，研究薄壁件加工時產生的切削力，對提高薄壁件的加工精度和表面質量具有重大意義。衛星馳等[5]針對薄壁件銑削時工件變形導致銑削力預測不準確的問題，建立了一種考慮工件變形的銑削力預測模型，并進行了試驗驗證，試驗結果表明模型誤差小于4.42%。王長清[6]通過試驗與仿真相結合的方法，研究了車削鈦合金薄壁件切削參數與刀具參數對切削力和殘余應力的影響。方群兵等[7]研究了切削參數對銑削鈦鋁合金薄壁件切削力和表面粗糙度的影響，并建立了預測切削力和表面粗糙度的指數預測模型。韓軍等[8]針對鋁合金薄壁件加工變形問題，利用多島遺傳算法對銑削參數進行了優化，使加工過程中銑削力降低了38.2%。姜增輝等[9]研究了銑削參數對鈦合金 TC4薄壁件銑削力的影響，并建立了相應的經驗公式。

以上研究通過優化常規切削方式參數改善了切削力對薄壁件變形的影響，如采用較小的進給速度與切削用量，但卻降低了加工效率、提高了加工成本。因此，近年來一些學者對非常規切削加工方式對切削力的影響進行了研究。其中，激光加熱輔助車削是一種利用激光束加熱待加工材料改善其切削性能進而進行切削加工的新型加工方法，在降低切削力方面有出色表現。申昆明[10]進行了激光加熱輔助單晶硅超精密車削試驗，試驗結果發現與常規車削相比，激光加熱輔助車削主切削力降低了52.5%，進給抗力降低了32.6%，切深抗力降低了62.6%。田紀文[11]進行了Cf /SiC陶瓷基復合材料激光輔助高速微車削試驗，試驗結果表明隨著激光功率的增加，切削力隨之降低。吳雪峰等[12]發現使用激光加熱輔助銑削技術能降低切削力和刀具磨損。黎昊宇[13]進行了鈦合金TC4激光加熱輔助車削試驗，試驗結果表明當激光加熱溫度處于310～375℃之間時，相比于常規車削切削力，激光加熱輔助車削主切削力最多降低26.45%。孔憲俊[14]進行了45%SiCp/Al復合材料激光加熱輔助車削試驗，試驗結果表明，隨著激光加熱溫度的升高，主切削力也隨之降低。

綜上所述，激光加熱輔助切削技術對降低切削力有重大影響。因此，本文通過試驗與仿真相結合的方法研究了激光加熱輔助車削對切削力和高溫合金GH4169薄壁件變形的影響。

1 仿真模型建立

1.1 常規車削與激光加熱輔助車削仿真模型

1.1.1 常規車削仿真模型

利用ABAQUS軟件建立了高溫合金GH4169常規車削有限元仿真模型，如圖1所示。模型使用了溫度—位移耦合顯式動力求解器求解有限元模型，為提高模型的精度和計算速度，在切削區域劃分出更小的網格，其他區域劃分較大的網格，模型工件最小網格10μm，最大網格100μm。工件材料是鎳基高溫合金GH4169，仿真所用工件材料的物理參數見表1[13-14]。

通過ABAQUS子程序VDFLUX及其Fortran語言可實現對激光光斑半徑、激光光斑移動速度、激光功率與激光吸收率等參數設定。其中，激光光斑直徑為0.1mm，激光光斑移動速度與切削參數相關（即激光光斑始終處于刀具前方，二者相對位置固定），激光照射溫度達到650℃以上。

1.1.3 激光加熱輔助車削模型

利用ABAQUS及其子程序VDFLUX，將1.1.1節與1.1.2節中常規車削模型與激光照射模型結合起來，建立了激光加熱輔助車削模型。如圖2所示（圖中NT11表示節點溫度）。

1.2 薄壁件常規與激光加熱輔助車削模型

由于車削過程中薄壁件發生的變形無法直接測量，因此需要借助有限元仿真模型將車削過程中薄壁件變形量提取出來，用以分析薄壁件的變形情況。利用1.1節中的車削模型建立了薄壁件仿真模型，如圖3所示。薄壁件高度為5mm，外徑16mm，壁厚1mm。

2 車削試驗

試驗采用的激光加熱輔助車削試驗系統由沈陽機床CAK4085nj機床、IPG2000W激光發生器、六軸機械臂、FLIR紅外測溫儀和Kistler測力儀組成，如圖4所示。試驗材料為GH4169棒料，長40mm，直徑30mm。試驗刀具為廈門金鷺特種合金有限公司可轉位刀具DCMT11T304-MM。

首先進行常規車削試驗，切削參數見表4。最后進行激光加熱輔助車削試驗，激光加熱輔助車削過程中，利用激光將待加工區域溫度加熱至650℃以上，如圖5所示。試驗過程中分別采用FLIR紅外測溫儀與Kistler測力儀測量工件溫度與三向切削力Fx（徑向力）、Fy（軸向力）和Fz（周向力）。

3 結果與討論

3.1 仿真結果驗證分析

3.2 車削試驗切削力分析

圖9為常規車削與激光加熱輔助車削切削力對比圖，由圖7可知，在激光加熱輔助作用下，切削力有明顯下降，這一點現象與以往的研究相符合。而且，隨著切削速度的升高，切削力的下降程度也隨之降低，分別下降了20.2%、19.8%和15.2%。這是因為當照射表面溫度相同時，隨著切削速度的升高，刀具運動至激光光斑位置時間減少，激光熱量主要聚集在工件表面，還未完全傳導至工件內部切削層，導致激光加熱效果減弱引起的。激光加熱導致切削力下降的原因有：（1）待加工區域材料溫度升高導致其拉伸和屈服強度降低變軟；（2）激光加熱使前道工序產生的加工硬化降低；（3）激光加熱通過固溶、退火處理降低了材料的硬度。

3.3 薄壁件變形分析

通過薄壁件有限元仿真模型，測量了激光加熱輔助車削和常規車削時內壁直徑的變形量來研究薄壁件加工過程中的變形。圖10為常規車削和激光加熱輔助車削薄壁件變形量的對比圖，與常規車削相比，激光加熱輔助車削薄壁件變形量分別降低了15.6%、12.7%和13.3%。薄壁件車削過程中受力如同簡支梁，其徑向變形主要受切削力作用。薄壁件變形量會隨著切削力的變化而變化。本文3.2節證明了激光加熱輔助車削能有效降低切削力，圖10中激光加熱輔助車削薄壁件的變形量與常規車削相比也出現了不同程度的降低。然而，薄壁件變形量降低幅度小于切削力下降幅度，造成這種現象的主要原因是激光加熱輔助車削過程中切削區域溫度較高，導致薄壁件彈性降低。正是由于切削力的降低和彈性降低二者相互競爭，導致了切削力與薄壁件變形量降低程度的不統一。

4 結論

通過ABAQUS軟件建立高溫合金GH4169常規車削與激光加熱輔助車削仿真模型，并進行了試驗驗證，模型最大誤差為10.1%，最小誤差為5.5%，平均誤差為7.8%，處于可接受范圍。

與常規車削相比，當激光照射溫度達到650℃以上時，激光加熱輔助車削切削力可以下降15%以上。當切削速度為40m/min時，激光加熱輔助車削切削力下降了20.2%，隨著切削速度的增加，激光加熱效果減弱，切削降低程度也隨之下降，在50m/min和60m/min時，切削力分別下降19.8%和15.2%。

通過ABAQUS軟件建立高溫合金GH4169常規車削與激光加熱輔助車削薄壁件仿真模型激光加熱輔助車削能夠降低車削薄壁件過程中的加工變形。與常規車削相比，激光加熱輔助車削薄壁件時，其加工變形量分別降低了15.6%、12.7%、13.3%。

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Simulation and Experimental Study on Deformation of Thin-walled Superalloy Parts in Laser-assisted Turning

Kong Xianjun， Liu Shiwen， Hou Ning， Zheng Yaohui， Wang Minghai Shenyang Aerospace University， Shenyang 110000， China

Abstract： As an important part of aero-engine， casing is a typical thin-walled part. Its large size， thin wall and low rigidity make it prone to workpiece deformation and tool chatter in the machining process， resulting in substandard machining accuracy and poor surface quality. In this paper， models of conventional turning and laser-assisted turning of superalloys were established by the software ABAQUS， and the accuracies of the models were verified by tests. The maximum error of the models is 10.1%， the minimum error is 5.5% and the average error is 7.8%， which is within an acceptable range. Then， models of conventional turning and laser-assisted turning of thin-walled parts were developed to study the effect of laser-assisted turning on the deformation of thin-walled parts. The results of the study show that compared with conventional turning， the cutting forces of laser-assisted turning decreased by 20.2%， 19.8% and 15.2% respectively when the laser irradiation temperature reached 650°C or more. The machining deformation of thin-walled parts can be reduced in laser-assisted turning. Compared with conventional turning， the machining deformation of thin-walled parts in laser-assisted turning is reduced by 13.5%， 11.2% and 10.4% respectively.

Key Words： laser-assisted turning； superalloy； thin wall parts