王廣洲，吳春亞，程 健，陳明君

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引言

難加工材料具有比強度高、力學(xué)性能好、耐高溫低溫和抗疲勞強度等共性的優(yōu)良特點，使其在民用和軍事領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-3]。然而，不同的難加工材料的難加工特性體現(xiàn)在不同的方面。如鈦合金的較小的變形系數(shù)、較差的導(dǎo)熱性能，模具鋼的高硬度、高耐磨性等[4-8]。這些難加工特性容易導(dǎo)致過高的溫度使刀具提前失效，進而需要頻繁換刀，影響加工效率。針對上述問題，可以通過對刀具進行優(yōu)化，改善刀具的切削性能的方法進行解決。

Kumar等[9]采用FEM軟件對鈦合金進行切削仿真，研究了立銑刀的幾何參數(shù)對切削力、切削溫度以及刀具磨損等的影響，并以最小切削力為優(yōu)化目標，對刀具的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。齊彪等[10-11]采用有限元軟件建立了鈦合金切削模型，通過對切削力、切削溫度以及切屑等分析，得到了多種類型的商用立銑刀切削鈦合金的最佳的幾何參數(shù)。張建飛等模擬了Ti-6Al-4V高速切削過程，分析了刀具幾何參數(shù)在特定加工條件下對切削力的影響規(guī)律。岳彩旭[12]利用ABAQUS研究了以立方氮化硼為材料的立銑刀切削GCr15的過程，較為全面地分析了切屑的形成以及殘余應(yīng)力。

基于上述研究，本文基于UG和AdvantEdge軟件，對硬質(zhì)合金立銑刀切削鈦合金和模具剛進行切削仿真，通過改變銑刀的螺旋角和前角并以切削力和切削溫度最小為優(yōu)化目標，對刀具進行優(yōu)化。

1 硬質(zhì)合金立銑刀切削仿真有限元模型建立

切削加工過程耦合了力學(xué)變化和溫度變化，并涉及到應(yīng)變、應(yīng)變率、彈性/塑性變形和不同的材料特性等。利用有限元軟件進行切削仿真可以在一定程度上反映實際加工過程，進而節(jié)省實際加工時間和資源。

1.1 材料本構(gòu)模型

本文中選用的鈦合金材料為Ti-6Al-4V，模具剛材料為Cr12，兩種材料的物理性能如表1所示。采用J-C本構(gòu)模型[13-14]描述兩種材料的力學(xué)特性（本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示）。

表1 Ti-6Al-4V和Cr12的物理性能

表2 Ti-6Al-4V和Cr12的Johnson-Cook材料模型參數(shù)

1.2 摩擦模型與切屑分離準則

根據(jù)實際切削條件和AdvantEdge軟件的網(wǎng)格劃分功能，兩種材料的仿真過程的摩擦模型選用剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)分別為0.7和0.5。同時采用C&L斷裂準則[15]作為切屑分離準則。

1.3 有限元模型建立與切削參數(shù)設(shè)置

圖1 所示為利用UG建立的四刃硬質(zhì)合金立銑刀的三維模型（刀具參數(shù)如表3所示），將刀具模型和同樣為UG建立的兩種材料模型添加到AdvantEdge軟件中，建立切削仿真模型，如圖2所示。

圖1 硬質(zhì)合金立銑刀

圖2 四刃硬質(zhì)合金立銑刀銑削仿真模型

表3 四刃立銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于Ti-6Al-4V的導(dǎo)熱系數(shù)低，刀具與切屑的接觸長度短，導(dǎo)致單位面積上的切削力大大增加。Cr12由于硬度高，金相組織由回火馬氏體、未溶碳化物和殘余奧氏體三部分組成，導(dǎo)致切削難度增大。根據(jù)表1材料屬性，選擇刀具切削用量，如表4所示。

表4 硬質(zhì)合金立銑刀加工不同材料的切削用量

在銑削加工過程中，與直齒銑刀相比，螺旋角增大了切削刃與工件的接觸長度，改變了刀具的受力情況，一定程度上改善了刀具的切削性能。增大刀具前角，可以增加刀具的鋒利度，但前角太小會降低刀具的強度。因此，本次仿真計算通過改變刀具的螺旋角和前角，以切削力和切削溫度作為評價標準來優(yōu)化硬質(zhì)合金立銑刀，進而改善切削難加工材料的性能。

2 切削仿真結(jié)果與分析

通過AdvantEdge軟件的Tecplot輸出隨刀具旋轉(zhuǎn)角變化的切削力和切削溫度的瞬時曲線圖，采用10次高階方程將瞬時曲線圖進行擬合，得到硬質(zhì)合金立銑刀加工兩種材料過程中3個方向的切削力和切削溫度隨刀具旋轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律曲線。由曲線可知，在刀具旋轉(zhuǎn)角變化過程中y方向切削力Fy均為負值，即為壓應(yīng)力，對加工表面質(zhì)量的影響很小。因此，在優(yōu)化計算過程中切削力只考慮x方向的切削力Fx和z方向的切削力Fz。

2.1 硬質(zhì)合金立銑刀銑削Ti-6Al-4V時螺旋角的優(yōu)化

保持表3中其他參數(shù)不變，螺旋角值分別取為35°、38°、40°、43°、45°和50°，仿真結(jié)果如圖3~4所示。由圖3可知，當螺旋角不變時，切削力Fx和Fz的整體趨勢是隨著刀具旋轉(zhuǎn)角的增大先減小后增大，但當螺旋角β＞38°時，切削力Fx和Fz在刀具旋轉(zhuǎn)角在25°~30°之間陡然增大。當螺旋角β＞38°時，切削力Fz在刀具切削過程中變?yōu)樨撝?，即切削?yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力）。當β=40°時，切削力Fx從正值變?yōu)樨撝禃r刀具轉(zhuǎn)過8.5°，當β分別為45°、50°時，切削力Fx從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力時刀具轉(zhuǎn)過9.5°。當螺旋角變化時，切削力Fx和Fz的整體趨勢是隨著螺旋角的增大而減小。由圖4可知，在β為45°以下切削溫度變化不大，在45°以上切削溫度突然增高，這是由于隨著螺旋角的增大，切屑與工件的摩擦面積增大，刀具排屑不暢，導(dǎo)致切削熱不能及時隨著切屑的排出而散失，其切削溫度突然增大。根據(jù)上述分析可知，為提高整體加工表面質(zhì)量，硬質(zhì)合金立銑刀加工Ti-6Al-4V時螺旋角的合理范圍為40°~45°。

圖3 硬質(zhì)合金立銑刀加工Ti-6Al-4V時不同螺旋角下Fx和Fz隨刀具旋轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖4 硬質(zhì)合金立銑刀加工Ti-6Al-4V時切削溫度隨螺旋角變化曲線

2.2 硬質(zhì)合金立銑刀銑削Cr12時螺旋角的優(yōu)化

保持表3中其他參數(shù)不變，螺旋角值分別取為30°、35°、40°、45°和50°，仿真結(jié)果如圖5~6所示。由圖5可知，當螺旋角不變時，切削力Fx和Fz的整體趨勢是隨著刀具旋轉(zhuǎn)角的增大而增大。當?shù)毒咝D(zhuǎn)角度在0°~25°之間切削力Fz變化較小，但在25°~30°之間發(fā)生突變。在刀具開始切削后，切削力Fx和Fz均為負值，即切削應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。當螺旋角變化時，切削力Fx和Fz的整體趨勢是隨著螺旋角的增大而增大。由圖6可知，在β值在40°以上時，切削溫度持續(xù)增高，這是因為隨著螺旋角的增大，切屑與工件的摩擦面積增大，刀具排屑不暢，導(dǎo)致切削熱不能及時隨著切屑的排出而散失，其切削溫度不斷增大。根據(jù)上述分析可知，為提高整體加工表面質(zhì)量，硬質(zhì)合金立銑刀加工Cr12時螺旋角的合理范圍為35°~45°，其中以40°附近為最優(yōu)。

圖5 硬質(zhì)合金立銑刀加工Cr12時不同螺旋角下Fx和Fz隨刀具旋轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖6 硬質(zhì)合金立銑刀加工Cr12時切削溫度隨螺旋角變化曲線

2.3 硬質(zhì)合金立銑刀銑削Ti-6Al-4V時前角的優(yōu)化

保持表3中其他參數(shù)不變，前角值分別取為6°、8°、10°和12°，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可知，當螺旋角不變時，切削力Fx的整體趨勢是隨著刀具旋轉(zhuǎn)角的增大而增大，切削力Fz的整體趨勢是隨著刀具旋轉(zhuǎn)角的增大先減小后增大。當?shù)毒咝D(zhuǎn)角度在0°~25°之間切削力Fz變化較小，但在25°~30°之間發(fā)生突變。在前角的范圍8°~10°之間時，切削力Fx由正值突變?yōu)樨撝担从衫瓚?yīng)力突變?yōu)閴簯?yīng)力，前角10°以后，曲線中間部分的切削力Fz在0值附近上下波動，工件表層金屬在拉力和壓力反復(fù)作用，對加工表面質(zhì)量是不利的。當螺旋角變化時，切削力Fx和Fz的整體趨勢是隨著螺旋角的增大先增大后減小。由圖8可知，不同前角的立銑刀切削Ti-6Al-4V時，切削溫度逐漸降低，但變化不大，考慮仿真模型的誤差，可認為切削溫度對加工表面質(zhì)量的影響較小。綜上所述，立銑刀加工Ti-6Al-4V的前角范圍是8°~10°。

圖7 硬質(zhì)合金立銑刀加工Ti-6Al-4V時不同側(cè)刃前角下Fx和Fz隨刀具旋轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖8 硬質(zhì)合金立銑刀加工Ti-6Al-4V時切削溫度隨側(cè)刃前角變化曲線

2.4 硬質(zhì)合金立銑刀銑削Cr12時前角的優(yōu)化

保持表3中其他參數(shù)不變，前角值分別取為5°、10°、15°、20°和25°，仿真結(jié)果如圖9~10所示。由圖9可知，當螺旋角不變時，切削力Fx的整體趨勢是隨著刀具旋轉(zhuǎn)角的增大而增大，切削力Fz的整體趨勢是隨著刀具旋轉(zhuǎn)角的增大先減小后增大。當?shù)毒咝D(zhuǎn)角度在0°~25°之間切削力Fz變化較小，但在25°~30°之間發(fā)生突變。在刀具開始切削后，切削力Fx和Fz均為負值，即切削應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。當螺旋角變化時，切削力Fx和Fz的整體趨勢是隨著螺旋角的增大先增大后減小。銑刀前角在15°~20°時切削溫度較低，銑刀前角大于20°后，切削溫度上升過大，這是側(cè)刃前角過大，導(dǎo)致切屑不易排出，同時切削熱散失條件變差。綜上所述，立銑刀加工Cr12的側(cè)刃前角范圍是15°~20°。

圖9 硬質(zhì)合金立銑刀加工Cr12時不同側(cè)刃前角下Fx和Fz隨刀具旋轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖10 硬質(zhì)合金立銑刀加工Cr12時切削溫度隨側(cè)刃前角變化曲線

3 結(jié)束語

本文利用UG三維建模軟件建立了硬質(zhì)合金立銑刀切削Ti-6Al-4V和Cr12的三維模型。通過AdvantEdge有限元仿真軟件，完成了兩種材料的本構(gòu)模型，摩擦模型、系數(shù)以及切屑分離準則等設(shè)置以及兩種材料的切削仿真過程。以切削過程中的切削力和切削溫度最小為評價標準，對硬質(zhì)合金立銑刀切削兩種難加工材料的螺旋角和前角進行優(yōu)選，得到如下結(jié)論：

（1）硬質(zhì)合金立銑刀加工Ti-6Al-4V時螺旋角的合理范圍為40°~45°，前角范圍是8°~10°；

（2）硬質(zhì)合金立銑刀加工Cr12時螺旋角的合理范圍35°~45°，其中以40°附近為最優(yōu)，前角范圍是15°~20°。