鈦合金高速切削切削力仿真研究

鈦合金高速切削切削力仿真研究

0實際樣品中鈦合金加工過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析單位以baaqus/op高速冷杉加工技術(shù)是先進實用的制造技術(shù)。它已成為加工和加工的主流。它在航空航天、汽車、硬件等發(fā)達國家的制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。鈦合金具有高的比強度、比剛度、良好的抗腐蝕能力和高溫性能。它廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、化工、核能及生物醫(yī)藥等行業(yè)。但是,切削鈦合金時單位面積上的切削力大、易產(chǎn)生振動、溫度高、刀具易磨損等難加工性已成為生產(chǎn)中的棘手問題,實際生產(chǎn)中加工鈦合金的切削速度多在50m/min以下,而高速加工的特點是切削力小、工件溫度低和激振頻率高等,是解決鈦合金的難加工性的有效手段,鈦合金的高速加工已成為當前的研究熱點。Salomon認為,在高速切削范圍內(nèi)(速度大于120m/min),隨著切削速度的增加,切削力降低。Narutaki認為在20～200m/min的切削速度范圍內(nèi),車削Ti6Al4V的切削力幾乎不隨切削速度的升高而發(fā)生變化。因此對具體的高速切削條件下切削力的變化規(guī)律需要更深入的研究。高速切削是一個具有強非線性和復(fù)雜接觸特點的過程,而已有的研究方法沒有充分考慮上述特點,尤其是高速變形條件下材料的本構(gòu)關(guān)系。此外,目前使用的Deform-2D有限元分析軟件能比較方便地模擬切削過程,但由于這種軟件處理非線性問題的能力不強,造成模擬與實驗結(jié)果有較大的差異,商用Abaqus/Explicit程序系統(tǒng)可從原理上處理強非線性問題,并且能夠定義復(fù)雜接觸條件。因此,使用Abaqus有限元分析軟件,選擇適合高速變形條件的Johnson-Cook材料模型和斷裂準則,對高速正交切削加工過程中切削參數(shù)(進給量、切削深度和切削速度)對切削力的影響進行研究。1鈦合金高速切削力開元模型1.1材料本構(gòu)模型目前常用的熱-粘塑性本構(gòu)模型主要有Follansbee-Kocks模型及Bodner-Paton模型,Johnson-Cook模型、Zerrilli-Armstrong模型、其中Bodner-Paton本構(gòu)模型將總應(yīng)變張量分為彈性和塑性兩部分,彈性部分采用Hook定律來描述,塑性部分則是從位錯動力學出發(fā),建立塑性應(yīng)變速率張量與應(yīng)力偏張量第二不變量J2之間的關(guān)系,該模型引入D0、n、z0、z1、zi、A、q和m等材料參數(shù),應(yīng)用起來比較困難。Follansbee-Kocks本構(gòu)模型是以機械臨界應(yīng)力作為內(nèi)部變量的,同樣也引入較多的材料參數(shù),形式比較復(fù)雜。相比之下,Johnson-Cook模型與Zerrilli-Armstrong模型的形式都比較簡單,都引入材料的應(yīng)變強化、應(yīng)變速率強化及熱軟化參數(shù)。Johnson-Cook模型是一種應(yīng)用于大應(yīng)變、高應(yīng)變速率、高溫變形的本構(gòu)模型,而且可應(yīng)用于各種晶體結(jié)構(gòu)。Zerrilli-Armstrong用于體心立方及面心立方金屬,并且對于不同的晶體結(jié)構(gòu)有著不同的表達形式。而Ti6Al4V的組織類型為馬氏體型α+β態(tài),所以選擇Johnson-Cook模型作為本構(gòu)模型。設(shè)A為準靜態(tài)下的屈服強度;B為應(yīng)變硬化系數(shù);n為應(yīng)變硬化指數(shù);C為應(yīng)變率敏感系數(shù);m為溫度敏感系數(shù);Tr為參考熱力學溫度;Tm為熔點熱力學溫度;ε為應(yīng)變;ε˙ε˙為應(yīng)變率;ε0為參考應(yīng)變率。其一般形式為:σ=(A+Bεn)[1+CIn(ε˙ε0)][1?(T?TrTm?Tr)m](1)σ=(A+Bεn)[1+CΙn(ε˙ε0)][1-(Τ-ΤrΤm-Τr)m](1)Ti6Al4V的Johnson-Cook模型5個模型常數(shù)如表1所示。金屬切削過程中,由于高應(yīng)力、高應(yīng)變率和高溫導致了刀具與切屑之間的摩擦不再是單純的滑摩擦,其中切屑與前刀面間有部分已經(jīng)完全粘著,形成切削內(nèi)部的剪切分離,因此成為了內(nèi)摩擦,摩擦力成為了常數(shù)。在模擬金屬切削時,設(shè)τc為接觸面滑動的臨界剪應(yīng)力;μ為摩擦因數(shù),研究中其值設(shè)為0.7;σn為接觸面上的壓力;τs為軟材料的臨界剪切屈服強度。常采用修正的庫侖摩擦定律:τc=min(μσn,τs)(2)1.2織構(gòu)域單元的變異本構(gòu)模型采用Abaqus/Explicit6.9.3的剪切失效準則、單元刪除和自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),可以有效地解決由于材料大變形導致的嚴重單元扭曲和交錯、高應(yīng)變集中區(qū)域單元奇異問題。本研究采用適用于金屬在高應(yīng)變率下的Johnson-Cook失效準則,設(shè)D1～D5為失效數(shù);p為靜水壓力;q為Mises應(yīng)力;ε˙ε˙0為參考應(yīng)變率;εˉplf,εˉplεˉfpl,εˉpl分別為失效時的等效應(yīng)變和應(yīng)變率。其表達式為:εˉplf=[D1+D2exp(D3pq)]?[1+D4In(εˉplε˙0)](1+D5)(3)εˉfpl=[D1+D2exp(D3pq)]?[1+D4Ιn(εˉplε˙0)](1+D5)(3)單元失效準則參數(shù)采用參考文獻中的Ti6Al4V失效參數(shù),具體如表2所示。2模擬結(jié)果和分析2.1工件網(wǎng)格劃分圖1為工件和刀具的正交切削有限元幾何模型。模型中工件的尺寸為3mm×1mm,刀具采用前角5°、后角11°、主偏角90°、刃傾角0°、刃口圓弧半徑0.06mm。由于切削層厚度遠小于構(gòu)件寬度,在金屬切削過程中可以認為工件處于平面應(yīng)變狀態(tài),由于刀具的硬度比工件的硬度高許多,因此在建模時,將刀具看作為解析剛體,工件作為柔體,這與實際的切削過程是相符合的?？紤]到高速切削過程中的切削熱的作用,工件網(wǎng)格劃分采用CPE4RT單元(平面應(yīng)變四邊形4節(jié)點縮減積分熱力耦合單元)。賦予工件模型的Ti6Al4V材料特性參數(shù)(楊氏模量、熱傳導系數(shù)和比熱容)均為溫度的函數(shù)。楊氏模量、熱傳導系數(shù)和比熱容隨溫度變化值與變化曲線分別如表3、表4所示。泊松比取常數(shù)0.31。2.2切削力模擬結(jié)果高速正交自由切削數(shù)值模擬是在切削寬度一定的條件下進行的,因此只研究切削速度和切削深度(進行速度)對切削力的影響。模擬所采用的切削參數(shù)如表5所示。模擬結(jié)果如圖2、圖3、圖4和圖5所示。圖2表明,隨切削速度的增大,進給力逐漸減小。而進給速度的增大將導致進給力增大。圖3表明,單位面積的進給力隨切削速度和進給速度的增大而單調(diào)減小。圖4表明,隨切削速度的增大,切削力逐漸減小。而進給速度的增大將導致切削力增大。圖5表明,單位面積的切削力隨切削速度和進給速度的增大而單調(diào)減小。3進給速度對高速切削的影響討論和選擇了適用于高速切削加工仿真的材料本構(gòu)型,摩擦準則,單元類型和網(wǎng)格劃分及控制技術(shù)。利用所建立的有限元模型對不同切削速度和進給速度進行了模擬。模擬結(jié)果表明:切削力,進給力,單位面積切削力,單位面積進給力都隨切削