钛合金高速切削切削力仿真研究

钛合金高速切削切削力仿真研究

0实际样品中钛合金加工过程中的应用现状及分析单位以baaqus/op高速冷杉加工技术是先进实用的制造技术。它已成为加工和加工的主流。它在航空航天、汽车、硬件等发达国家的制造行业得到了广泛应用，并取得了显著的经济效益。钛合金具有高的比强度、比刚度、良好的抗腐蚀能力和高温性能。它广泛应用于航空航天、造船、化工、核能及生物医药等行业。但是,切削钛合金时单位面积上的切削力大、易产生振动、温度高、刀具易磨损等难加工性已成为生产中的棘手问题,实际生产中加工钛合金的切削速度多在50m/min以下,而高速加工的特点是切削力小、工件温度低和激振频率高等,是解决钛合金的难加工性的有效手段,钛合金的高速加工已成为当前的研究热点。Salomon认为,在高速切削范围内(速度大于120m/min),随着切削速度的增加,切削力降低。Narutaki认为在20～200m/min的切削速度范围内,车削Ti6Al4V的切削力几乎不随切削速度的升高而发生变化。因此对具体的高速切削条件下切削力的变化规律需要更深入的研究。高速切削是一个具有强非线性和复杂接触特点的过程,而已有的研究方法没有充分考虑上述特点,尤其是高速变形条件下材料的本构关系。此外,目前使用的Deform-2D有限元分析软件能比较方便地模拟切削过程,但由于这种软件处理非线性问题的能力不强,造成模拟与实验结果有较大的差异,商用Abaqus/Explicit程序系统可从原理上处理强非线性问题,并且能够定义复杂接触条件。因此,使用Abaqus有限元分析软件,选择适合高速变形条件的Johnson-Cook材料模型和断裂准则,对高速正交切削加工过程中切削参数(进给量、切削深度和切削速度)对切削力的影响进行研究。1钛合金高速切削力开元模型1.1材料本构模型目前常用的热-粘塑性本构模型主要有Follansbee-Kocks模型及Bodner-Paton模型,Johnson-Cook模型、Zerrilli-Armstrong模型、其中Bodner-Paton本构模型将总应变张量分为弹性和塑性两部分,弹性部分采用Hook定律来描述,塑性部分则是从位错动力学出发,建立塑性应变速率张量与应力偏张量第二不变量J2之间的关系,该模型引入D0、n、z0、z1、zi、A、q和m等材料参数,应用起来比较困难。Follansbee-Kocks本构模型是以机械临界应力作为内部变量的,同样也引入较多的材料参数,形式比较复杂。相比之下,Johnson-Cook模型与Zerrilli-Armstrong模型的形式都比较简单,都引入材料的应变强化、应变速率强化及热软化参数。Johnson-Cook模型是一种应用于大应变、高应变速率、高温变形的本构模型,而且可应用于各种晶体结构。Zerrilli-Armstrong用于体心立方及面心立方金属,并且对于不同的晶体结构有着不同的表达形式。而Ti6Al4V的组织类型为马氏体型α+β态,所以选择Johnson-Cook模型作为本构模型。设A为准静态下的屈服强度;B为应变硬化系数;n为应变硬化指数;C为应变率敏感系数;m为温度敏感系数;Tr为参考热力学温度;Tm为熔点热力学温度;ε为应变;ε˙ε˙为应变率;ε0为参考应变率。其一般形式为: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个模型常数如表1所示。金属切削过程中,由于高应力、高应变率和高温导致了刀具与切屑之间的摩擦不再是单纯的滑摩擦,其中切屑与前刀面间有部分已经完全粘着,形成切削内部的剪切分离,因此成为了内摩擦,摩擦力成为了常数。在模拟金属切削时,设τc为接触面滑动的临界剪应力;μ为摩擦因数,研究中其值设为0.7;σn为接触面上的压力;τs为软材料的临界剪切屈服强度。常采用修正的库仑摩擦定律:τc=min(μσn,τs)(2)1.2织构域单元的变异本构模型采用Abaqus/Explicit6.9.3的剪切失效准则、单元删除和自适应网格技术,可以有效地解决由于材料大变形导致的严重单元扭曲和交错、高应变集中区域单元奇异问题。本研究采用适用于金属在高应变率下的Johnson-Cook失效准则,设D1～D5为失效数;p为静水压力;q为Mises应力;ε˙ε˙0为参考应变率;ε¯plf,ε¯plε¯fpl,ε¯pl分别为失效时的等效应变和应变率。其表达式为:ε¯plf=[D1+D2exp(D3pq)]⋅[1+D4In(ε¯plε˙0)](1+D5)(3)ε¯fpl=[D1+D2exp(D3pq)]⋅[1+D4Ιn(ε¯plε˙0)](1+D5)(3)单元失效准则参数采用参考文献中的Ti6Al4V失效参数,具体如表2所示。2模拟结果和分析2.1工件网格划分图1为工件和刀具的正交切削有限元几何模型。模型中工件的尺寸为3mm×1mm,刀具采用前角5°、后角11°、主偏角90°、刃倾角0°、刃口圆弧半径0.06mm。由于切削层厚度远小于构件宽度,在金属切削过程中可以认为工件处于平面应变状态,由于刀具的硬度比工件的硬度高许多,因此在建模时,将刀具看作为解析刚体,工件作为柔体,这与实际的切削过程是相符合的。考虑到高速切削过程中的切削热的作用,工件网格划分采用CPE4RT单元(平面应变四边形4节点缩减积分热力耦合单元)。赋予工件模型的Ti6Al4V材料特性参数(杨氏模量、热传导系数和比热容)均为温度的函数。杨氏模量、热传导系数和比热容随温度变化值与变化曲线分别如表3、表4所示。泊松比取常数0.31。2.2切削力模拟结果高速正交自由切削数值模拟是在切削宽度一定的条件下进行的,因此只研究切削速度和切削深度(进行速度)对切削力的影响。模拟所采用的切削参数如表5所示。模拟结果如图2、图3、图4和图5所示。图2表明,随切削速度的增大,进给力逐渐减小。而进给速度的增大将导致进给力增大。图3表明,单位面积的进给力随切削速度和进给速度的增大而单调减小。图4表明,随切削速度的增大,切削力逐渐减小。而进给速度的增大将导致切削力增大。图5表明,单位面积的切削力随切削速度和进给速度的增大而单调减小。3进给速度对高速切削的影响讨论和选择了适用于高速切削加工仿真的材料本构型,摩擦准则,单元类型和网格划分及控制技术。利用所建立的有限元模型对不同切削速度和进给速度进行了模拟。模拟结果表明:切削力,进给力,单位面积切削力,单位面积进给力都随切削