鄭術(shù)偉，夏　萍，雷經(jīng)發(fā)

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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基于ABAQUS的鈦合金穩(wěn)態(tài)切削模擬

鄭術(shù)偉1，夏萍1，雷經(jīng)發(fā)2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：本文基于ABAQUS軟件的Johnson-Cook材料模型以及ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)鈦合金穩(wěn)態(tài)切削加工過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，并研究了鈦合金的切屑成型過(guò)程、切削層的塑形應(yīng)變以及工件溫度的分布，從切屑形狀上看，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在此基礎(chǔ)上分析了不同切削前角、切削深度和切削速度等參數(shù)對(duì)切削力的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增大切削前角或減小切削深度有利于切削的進(jìn)行，此外切削速度的變化在一定范圍內(nèi)對(duì)切削力影響較小。

關(guān)鍵詞：鈦合金；切削加工；有限元模擬；切削力

0引言

在鈦合金的切削過(guò)程中，由于鈦合金具有較好的比強(qiáng)度、比剛度和高溫性能，導(dǎo)致刀具所受的反作用力即切削力較大，因而可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、切削溫度過(guò)高、刀具易磨損等問(wèn)題[1]。故對(duì)鈦合金的切削過(guò)程以及影響切削過(guò)程的相關(guān)因素加以研究具有十分重要的意義。

目前關(guān)于鈦合金的切削過(guò)程研究文獻(xiàn)較多，李登萬(wàn)等在鈦合金加工切削力試驗(yàn)研究中，分別在常溫干式切削和低溫冷風(fēng)降溫切削條件下,對(duì)切削力進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出鈦合金在低溫冷風(fēng)降溫切削條件下主切削力雖然較大,但變化范圍較小,有利于提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性,更加適用于精密加工[2]。楊勇等對(duì)鈦合金鋸齒狀切屑形成過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，并提出了采用Johnson-Cook模型以及ALE技術(shù)研究切屑成型過(guò)程和切削力的大小[3]；祝小軍研究并分析了不同的切削速度、進(jìn)給量和刀具角度對(duì)零件加工表面質(zhì)量、刀具使用壽命的影響[4]。但在眾多文獻(xiàn)中，尚未見(jiàn)到同時(shí)考慮在不同切削前角、不同切削深度及不同切削速度下分析切削力的變化情況，故本文使用Abaqus有限元分析軟件，建立鈦合金切削過(guò)程的有限元模型，通過(guò)選擇合適的Johnson-Cook模型以及ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)，得到切屑的成型過(guò)程、塑形應(yīng)變以及溫度變化，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證其有效性。在此基礎(chǔ)上分析了不同切削前角、切削深度、切削速度對(duì)鈦合金切削過(guò)程中切削力的影響。

1有限元模型的建立

1.1材料參數(shù)

本文研究的是Ti6Al4鈦合金，泊松比取常數(shù)0.3，其彈性模量、傳導(dǎo)率及比熱等參數(shù)均隨溫度的變化而變化，具體如表1所示。

表1　彈性模量、傳導(dǎo)率、比熱隨溫度變化值

1.2材料本構(gòu)模型

在實(shí)際金屬切削的過(guò)程中，工件材料會(huì)在高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變率的情況下下發(fā)生彈塑性變形。為了考慮各種因素對(duì)材料特性的影響,通常會(huì)將工件材料的流動(dòng)應(yīng)力看成是應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的方程[5～6]。建立合理的材料本構(gòu)模型是分析的關(guān)鍵，考慮到Johson-Cook本構(gòu)模型既可反映加工過(guò)程中的溫度軟化效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)，也可以反映應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)[7]，本文采用該模型，具體表示如下：

(1)

1.3有限元模型

本文選取鈦合金矩形試件尺寸是8.3×3.3mm，切削區(qū)域?qū)挾?.31mm，切削深度0.5mm，刀具前角為0°，刀具設(shè)為解析剛體。建立切削有限元模型如圖1所示：

圖1　切削模型

采用分區(qū)操作將模型劃分為四塊，其右上部分為切削區(qū)域，采用邊布種方式對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到6400個(gè)單元(80×80)，其單元類型為CPE4RT。考慮到ALE網(wǎng)格劃分方法不改變整體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可以避免切屑成型過(guò)程中出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變現(xiàn)象，且計(jì)算速度較快，故本文對(duì)切削區(qū)域采用ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)。為防止工件在切削過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)，所以建立一個(gè)將底邊的X軸方向約束同時(shí)將工件左側(cè)的Y軸方向約束的邊界條件。在刀具的參考點(diǎn)上施加一個(gè)水平向左的速度為50mm/min的載荷。

2實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果的分析

2.1切屑成型過(guò)程以及塑形應(yīng)變和溫度分布情況

隨著刀具不斷向前運(yùn)動(dòng)，刀具和工件接觸后切屑逐漸成型，由圖2可以看到不同分析步下切屑的形狀變化情況。

圖3　切屑對(duì)比圖

圖3中a圖和b圖可以看到的試驗(yàn)所得到的切屑和模擬得到的切屑形狀基本一致，所以切削模擬實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是可信的。

圖4　塑形應(yīng)變和溫度分布

隨著切削的進(jìn)行，工件的塑性應(yīng)變和溫度也隨之發(fā)生變化[8～9]。切削過(guò)程中塑性應(yīng)變是逐漸累積的過(guò)程，其分布情況如如圖4a所示，從圖中可以看出其最大值發(fā)生在136結(jié)點(diǎn)處，而該位置正好位于刀具和切削接觸區(qū)域，切削過(guò)程的溫度變化如圖4b所示，由圖中可以看出最大值同樣發(fā)生在136結(jié)點(diǎn)處。由圖4a的塑性應(yīng)變的最大值和圖4b溫度的最高值的位置可以得出倆者都發(fā)生在切削過(guò)程中刀具和工件接觸的區(qū)域。

2.2不同參數(shù)對(duì)切削力的影響分析

在研究不同參數(shù)對(duì)切削力的影響時(shí)，設(shè)定刀具后角為15°，刀具圓角半徑0.002mm，工件溫度為室溫298K，刀具和工件的摩擦系數(shù)為定值0.1。本文僅研究了不同切削前角、切削深度、切削速度等參數(shù)對(duì)切削力的影響變化曲線，分別如圖5～7所示[10～11]。

圖5　不同切削前角對(duì)切削力的影響(切削深度0.5mm，切削速度50mm/min)

由圖5可以看出，切削前角在0°～10°范圍內(nèi)，隨著切削前角的增大，切削力明顯減小。故在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增大切削前角，刀具受到的反作用力即切削力明顯變小，有利于切削的進(jìn)行。

圖6　不同切削深度對(duì)切削力的影響(切削前角10°，切削速度50mm/min)

由圖6可以看出，切削深度在0.35～0.6mm范圍內(nèi)，隨著切削深度的減小，切削力明顯減小，因此在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減小切削深度，能夠減少刀具所受到的阻力即切削力，有利于切削的進(jìn)行且能有效地保護(hù)刀具。

圖7　不同速度對(duì)切削力的影響(切削前角10°，切削深度0.5mm)

考慮到改變切削速度后所需要的切削時(shí)間不同，但刀具行程一致，故為便于分析，本文給出了在整個(gè)刀具行程中不同切削速度下切削力的變化曲線。圖7顯示的是在50、100、150mm/min三種不同切削速度下切削力的變化情況，由圖中曲線可以看出，隨著切削速度的增加，切削力曲線圖的波峰和波谷變化區(qū)間明顯加劇，但三條曲線在整個(gè)切削過(guò)程的變化趨勢(shì)近乎一致，故可認(rèn)為在一定的切削速度范圍內(nèi)切削速度的變化對(duì)切削過(guò)程中的切削力的影響較小。

3結(jié)論

(1)應(yīng)用Abaqus有限元軟件建立了鈦合金切削過(guò)程的有限元模型，選擇Johnson-Cook材料模型和ALE網(wǎng)格劃分技術(shù)得到鈦合金的切屑成型過(guò)程，以及切削過(guò)程中塑性應(yīng)變和溫度變化情況。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)切屑和有限元模擬切屑，發(fā)現(xiàn)兩者形狀基本吻合，驗(yàn)證了模擬分析方法的有效性。

(2)分析了不同參數(shù)下切削過(guò)程的切削力變化情況。得到在0°～10°范圍內(nèi)適當(dāng)增大切削前角可以減小切削力；在0.35～0.6mm之間適當(dāng)減小切削深度亦可減小切削力；切削速度的變化對(duì)切削力有一定的影響，但在一定的切削速度范圍內(nèi)影響較小。上述分析結(jié)果可為實(shí)際加工中鈦金屬切削刀具參數(shù)的設(shè)計(jì)及切削加工工藝的優(yōu)化提供理論參考。

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Finite Element Simulation of Titanium Alloy Steady Cutting Based on ABAQUS

ZHENG Shuwei1, XIA Ping1, LEI Jingfa2

(1. College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei, 230036, China;2. Mechanical and electrical engineering college, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230601, China)

Abstract:The titanium alloy steady cutting process was simulated and analyzed by Johnson-cook material constitutive model and ALE meshing technology based on ABAQUS. The chip forming, the distribution of plastic strain in the cutting layer, and the temperature distribution of work-piece in the cutting process has been studied. The simulation results were in agreement with the experimental results from the chip shape. And the influences of different parameters (tool rake angle, cutting depth and cutting speed) on cutting force were discussed. It was found that in a certain range, increase of cutting angle or decrease cutting depth was good for cutting. Besides, the change of cutting speed had little effect on the cutting force in a certain range.

Key words:titanium alloy; cutting process; finite element simulation; cutting force

中圖分類號(hào)：TG501

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2016)01-087-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160118

作者簡(jiǎn)介：鄭術(shù)偉(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

收稿日期：2015-08-19