陳舜青，董小偉

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

0 前言

Ti6Al4V鈦合金由于其耐高溫、耐腐蝕、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)被廣泛使用于航天航空、船舶制造等工業(yè)領(lǐng)域。與此同時(shí)，鈦合金化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、難加工的缺點(diǎn)也成為影響鈦合金加工的主要因素，進(jìn)而使得它對(duì)加工刀具和加工環(huán)境的要求較為嚴(yán)格。因此，通過選擇合適的PCD刀具參數(shù)來降低切削力、切削溫度、減少刀具磨損進(jìn)而提高鈦合金加工效率是丞需解決的問題。

王永鑫和張昌明通過單因素鉆削試驗(yàn)研究了各加工參數(shù)對(duì)軸向力的影響，并采用響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得出了鈦合金鉆削加工的最優(yōu)加工參數(shù)組合。李寶棟等建立二維切削仿真模型以及二次響應(yīng)面模型，研究了切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響。張建飛等利用AdvantEdge切削仿真軟件建立三維仿真模型，研究了刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響，并建立一階響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)切削力的預(yù)測。響應(yīng)面優(yōu)化法是通過試驗(yàn)數(shù)值，針對(duì)多個(gè)因素來擬合響應(yīng)面解決線性或非線性數(shù)據(jù)處理的相關(guān)問題，具有試驗(yàn)次數(shù)少但結(jié)果準(zhǔn)確性高的特性。

本文作者基于ABAQUS模擬仿真軟件建立切削仿真模型進(jìn)行PCD刀具精車加工Ti6Al4V鈦合金仿真分析，得到不同PCD刀具參數(shù)下的切削力和刀尖溫度，并通過響應(yīng)面分析建立刀具參數(shù)(前角、后角、鈍圓半徑)的切削力和刀尖溫度二次響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，分析刀具參數(shù)對(duì)切削力和刀尖溫度的影響，獲取最優(yōu)刀具參數(shù)組合，降低刀具磨損的同時(shí)提高了鈦合金加工效率。

1 有限元模型及試驗(yàn)方法

采用ABAQUS有限元仿真軟件建立3D仿真模型，保證工件不動(dòng)，以刀具向左運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行仿真分析，切削仿真模型如圖1所示。工件材料選取Ti6Al4V鈦合金，刀具材料選用聚晶金剛石(PCD),并且采用Johnson-Cook模型來描述工件和材料的本構(gòu)關(guān)系。工件及刀具網(wǎng)格采用四面體單元，為提高仿真精度，對(duì)刀尖以及工件被切削部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，刀具及工件的最小網(wǎng)格大小為0.025 mm。切削參數(shù)采用精車外圓工藝參數(shù)，其中切削速度為100 m/min,進(jìn)給量為0.15 mm/r,背吃刀量為0.15 mm，初始溫度為20 ℃。

圖1 切削仿真模型

響應(yīng)面模型采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)取點(diǎn)法，響應(yīng)因素為3個(gè)，分別為刀具前角、后角以及鈍圓半徑。建立三因素五水平中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，如表1所示。響應(yīng)指標(biāo)為切削力和刀尖溫度，響應(yīng)指標(biāo)值選取切削過程中穩(wěn)定階段的平均切削力和最大刀尖溫度，并進(jìn)行二次響應(yīng)面模型分析。

表1 仿真試驗(yàn)因素水平

2 響應(yīng)面模型建立

2.1 試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果

將響應(yīng)因素和響應(yīng)指標(biāo)導(dǎo)入Design-Expert軟件，自動(dòng)生成20組試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案和仿真結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果

2.2 建立切削力二次響應(yīng)面模型

對(duì)表2中的切削力仿真結(jié)果進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析，得到PCD刀具精車Ti6Al4V鈦合金切削力的二次多項(xiàng)式回歸方程為

=257.053 99-4.108 21-4.428 444+

190.065 92+0.466 67·-74.270 83·-

(1)

式中：為切削力的擬合值。

如果在二次響應(yīng)面模型方差分析中≤0.05，則說明響應(yīng)指標(biāo)(切削力、切削溫度)和響應(yīng)因素(前角、后角、鈍圓半徑)的回歸關(guān)系是顯著的；如果≤0.01，說明回歸關(guān)系極其顯著；如果>0.05，說明回歸關(guān)系不顯著，二次響應(yīng)面模型及回歸方程不能使用。

切削力響應(yīng)面模型方差分析結(jié)果如表3所示，可知：切削力模型擬合效果極顯著(<0.000 1)，且失擬項(xiàng)不顯著，能夠有限預(yù)測刀具參數(shù)對(duì)切削力的影響。響應(yīng)因素前角、鈍圓半徑的值均小于0.01，后角的值小于0.05，說明各響應(yīng)因素的擬合效果顯著且鈍圓半徑對(duì)切削力影響最大，前角次之，后角對(duì)切削力的影響最小。

表3 切削力響應(yīng)面模型方差分析

2.3 建立刀尖溫度二次響應(yīng)面模型

對(duì)表2中的刀尖溫度仿真結(jié)果進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析，得到PCD刀具精車Ti6Al4V鈦合金刀尖溫度的二次多項(xiàng)式回歸方程為

(2)

式中：為刀尖溫度的擬合值。

刀尖溫度響應(yīng)面模型方差分析結(jié)果如表4所示，可知：刀尖溫度模型擬合效果極顯著(<0.01)，且失擬項(xiàng)不顯著，能夠有限預(yù)測刀具參數(shù)對(duì)刀尖溫度的影響。響應(yīng)因素中前角、鈍圓半徑的值均小于0.05，后角的值小于0.01，說明各響應(yīng)因素的擬合效果顯著且后角對(duì)刀尖溫度影響最大，前角次之，鈍圓半徑對(duì)刀尖溫度的影響最小。

表4 刀尖溫度響應(yīng)面模型方差分析

3 響應(yīng)面結(jié)果分析

基于切削力、刀尖溫度的二次響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，控制單一響應(yīng)因素不變，研究其余響應(yīng)因素對(duì)切削力和刀尖溫度的影響，得到切削力和刀尖溫度的3D響應(yīng)曲面，分別如圖2、圖3所示。

3.1 刀具參數(shù)對(duì)切削力的影響

由圖2(a)可知：前角增大和后角減小都會(huì)使切削力降低，但通過對(duì)比前角和后角圖形的陡峭程度可知，前角對(duì)切削力的影響明顯大于后角。這主要是因?yàn)榍敖窃龃?，相?yīng)的剪切角增大，工件被切部分切削變形減少，切屑沿前刀面的摩擦阻力減小，使得切削力隨之減小。刀具后角對(duì)切削力的影響很小，刀具后角的主要作用是降低刀具后刀面與工件已加工表面和過渡面之間的摩擦力，因此隨著刀具后角的增大，切削力存在小幅度的下降。

由圖2(b)(c)可知：鈍圓半徑對(duì)切削力的影響遠(yuǎn)大于前角和后角對(duì)切削力的影響，與表3中各響應(yīng)因素所對(duì)應(yīng)的值相吻合，即鈍圓半徑的值最小，前角次之，后角值最大。切削力隨著鈍圓半徑的增加逐漸增大，當(dāng)PCD刀具精車Ti6Al4V鈦合金工件時(shí)，增加鈍圓半徑可使得參與切削的刀尖變鈍，被加工部分的塑性變形以及與前刀面的摩擦隨之增大，切削力上升。

圖2 雙因素交互對(duì)切削力的影響

3.2 刀具參數(shù)對(duì)刀尖溫度的影響

由圖3(a)可知：后角對(duì)刀尖溫度的影響遠(yuǎn)大于前角，并且隨著前角與后角的增大刀尖溫度逐漸增大。這是因?yàn)楹蠼窃酱?，刀具切削刃越鋒利，刀體體積減小，嚴(yán)重影響刀具的散熱性能，導(dǎo)致刀尖溫度上升。前角越大，刀體越薄，導(dǎo)熱性能越差，使得刀尖溫度隨之上升。由圖3(b)(c)可知：相比于前角與后角，鈍圓半徑對(duì)刀尖溫度的影響最小，與表4中各響應(yīng)因素所對(duì)應(yīng)的值相吻合，即后角的值最小，前角次之，鈍圓半徑值最大。刀尖溫度隨鈍圓半徑的增大先減小后增大，因?yàn)楫?dāng)?shù)毒哜g圓半徑逐漸增大時(shí)，刀尖的散熱性能隨之提升，進(jìn)而使得刀尖溫度下降。但當(dāng)鈍圓半徑過大導(dǎo)致切削力過大時(shí)，刀尖變鈍所增加的散熱能力不足以抵消由于切削力過大帶來的溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致溫度繼續(xù)上升。

圖3 雙因素交互對(duì)刀尖溫度的影響

3.3 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

通過Design-Expert軟件分析求解得，當(dāng)PCD刀具前角=12°、后角=7°和鈍圓半徑=0.04 mm時(shí)，得到的切削力和刀尖溫度的擬合值最小，分別為226.6 N和292.8 ℃，可取性達(dá)到98%。因此，PCD刀具精車加工Ti6Al4V鈦合金時(shí)，選取最優(yōu)刀具參數(shù)組合為前角=12°、后角=7°和鈍圓半徑=0.04 mm，可有效降低切削力和刀尖溫度，提高刀具壽命以及鈦合金加工效率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真過程中切削力和刀尖溫度的準(zhǔn)確性以及優(yōu)化刀具參數(shù)的優(yōu)越性，選取3組刀具參數(shù)進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，分別為常用組、對(duì)比組以及優(yōu)化組，各組刀具參數(shù)如表5所示。

表5 刀具參數(shù)及優(yōu)化結(jié)果

精車加工試驗(yàn)中機(jī)床采用沈陽機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的CM614OA臥式車床，測力儀采用YDCB-Ⅲ25壓電石英測力儀，熱像儀采用巨哥電子生產(chǎn)的MAG31在線式熱像儀。加工工件為Ti6Al4V鈦合金棒料，尺寸為30 mm×200 mm，刀具采用3組不同刀具參數(shù)的PCD刀具。切削參數(shù)采用精車外圓工藝參數(shù)，其中切削速度為100 m/min,進(jìn)給量為0.15 mm/r,背吃刀量為0.15 mm。車削試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 車削試驗(yàn)

由表5可知：優(yōu)化組切削力和刀尖溫度仿真值與擬合切削力的誤差絕對(duì)值為1.45%，擬合刀尖溫度的誤差絕對(duì)值為2.02%，誤差在允許范圍內(nèi)，響應(yīng)面優(yōu)化后所得的切削力和刀尖溫度的擬合值可靠。通過對(duì)比3組車削試驗(yàn)結(jié)果與切削仿真結(jié)果可知，切削力以及刀尖溫度的仿真值都比試驗(yàn)值大，這主要是由于仿真時(shí)Ti6Al4V鈦合金的Johnson-Cook損傷參數(shù)中的破壞位移比試驗(yàn)中的鈦合金棒料參數(shù)偏大，進(jìn)而導(dǎo)致切削力和刀尖溫度的仿真值偏大，但誤差控制在10%以內(nèi)，充分證明了車削模擬仿真分析的可靠性。優(yōu)化組的切削力和刀尖溫度試驗(yàn)值相較于常用組分別降低了4.94%和5.27%，相較于對(duì)比組分別降低了23.35%和4.79%，充分說明了優(yōu)化后刀具參數(shù)的優(yōu)越性。采用優(yōu)化后的刀具參數(shù)能夠有效降低切削力和切削溫度，延長刀具使用壽命的同時(shí)可提升鈦合金切削加工效率。

5 結(jié)論

通過切削仿真試驗(yàn)和響應(yīng)面模型分析法研究了PCD刀具精車Ti6Al4V鈦合金工件時(shí)刀具參數(shù)對(duì)切削力和刀尖溫度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)刀具鈍圓半徑對(duì)切削力影響最大，并且切削力隨鈍圓半徑增大而增大，前角次之，后角對(duì)切削力影響最?。?/p>

(2)刀具后角對(duì)刀尖溫度影響最大，刀尖溫度隨后角的增大逐漸增大，前角次之，鈍圓半徑對(duì)刀尖溫度的影響最??；

(3)PCD刀具精車Ti6Al4V鈦合金工件時(shí)最優(yōu)刀具參數(shù)組合為前角=12°、后角=7°和鈍圓半徑=0.04 mm。

(4)響應(yīng)面模型分析法在分析復(fù)雜的多工藝目標(biāo)時(shí)，試驗(yàn)次數(shù)少、準(zhǔn)確性高，能夠極大地提高分析效率。