机夹飞刀铣削钛合金Ti6Al4V工件的工艺研究

王大海, 赵永强,*, 刘 石, 侯红玲, 段博峰

1.陕西理工大学 机械工程学院, 陕西 汉中 723000;2.陕西理工大学 工程训练中心, 陕西 汉中 723000

钛合金是典型的难切削加工材料,目前对其铣削加工机理的研究仍比较缺乏[1],技术人员在制定铣削加工工艺参数时依赖机床操作者的经验。机床操作者通过多次试切试验确定可选的铣削参数,在实际操作过程中容易产生崩刃,甚至断刀等意外[2]。因此,为了减少实际试验的次数和风险,铣削仿真模拟为合理选择难切削加工的钛合金铣削参数提供了一种更好的实现途径。

目前,关于铣削工艺的研究主要有,文献[3]提出了一种先进的误差预测和补偿策略,能够以很高的精度捕获和预测柔性铣削的整体误差,并能够消除大部分误差。文献[4]提出一种基于有限元法的铣削工艺计划验证模型,该模型考虑了夹具、操作顺序、刀具路径和切割参数的影响,在瞬态3D虚拟环境中模拟铣削过程,并预测零件薄壁的偏转和弹性-塑性变形。文献[5]采用化铣剥层法研究TC4钛合金条形件的铣削发现,表面残余应力沿着深度方向由压应力逐步变为拉应力,残余应力值随铣削速度和每齿进给量的增加而降低,随铣削的深度增大而增大。文献[6]通过有限元模拟航空铝合金7075-T7451的铣削过程发现,选择较小的质量放大系数才能保证高的加工质量。文献[7]通过二维正交切削模型和正交压痕模型分析了切削参数和刀具参数对钛合金Ti6Al4V表面残余应力的影响,得到两种模型复合能够较好的预测三维切削加工所引起的各切削参数影响。文献[8]通过铣削AerMet100材料得到了铣削力、表面粗糙度与铣削参数的之间影响规律,并给出了铣削力和表面质量的预测数学模型。文献[9]针对薄壁件铣削过程易颤振的问题,依据颤振稳定性解析算法,建立钛合金Ti6Al4V薄壁件铣削过程的动态铣削系统,得出稳定性叶瓣图。文献[10]通过ABAQUS软件建立钛合金Ti6Al4V薄壁件铣削过程仿真模型,以铣削力和铣削温度为评价指标,采用单因素和正交法分析了刀具前角、后角及螺旋角对铣削力和铣削温度的影响规律。文献[11]通过不同工艺参数铣削TC18钛合金,研究高速铣削对表面显微硬度和金属组织的影响,得到铣削力与表面粗糙度的变化规律。文献[12]建立了基于Rayleigh-Ritz法的薄壁件铣削加工变形预测数学模型,提出了离散化的余量体积单元设计思路并完成了工件的非均匀余量设计,最后对比分析了不同余量设计策略对薄壁悬臂结构件加工变形的影响。文献[13]针对侧铣薄壁件时产生的变形和颤振问题,提出了一种收敛速度加快的柔性变形预测模型,根据铣削过程中刀具和薄壁件的动态特性,建立了刀具的多模态动力学模型和薄壁件的多点接触动力学模型,并在模态空间中将上述两种模型耦合得到铣削动力学模型。文献[14]提出了一种改进的球头铣削力模型,该模型基于一种新颖的未切削切屑厚度模型,并考虑了边缘效应和尺寸效应,可以用于优化切削参数。

综上所述,在铣削加工方面的研究主要集中在结合切削三要素对铣削力、温度、材料去除效率、工件表面粗糙度、产品的合格率等方面的影响,关于机夹飞刀铣削过程刀尖圆弧对铣削力、切削热的研究未涉及。本文基于有限元仿真软件ABAQUS建立了机夹飞刀高速铣削钛合金工件的三维有限元模型,包括刀具的形状、材料的本构模型和损伤模型,模拟钛合金Ti6Al4V工件的机夹飞刀铣削过程,分析切削三要素及刀尖圆弧半径对铣削中力和热的影响规律。

1 工件铣削的有限元建模

1.1 几何模型

为了提高仿真运算的效率,简化刀具模型,将机夹飞刀简化为五个刀片,设置各个刀片为刚体,按刀尖圆弧半径R分类为Ⅰ—Ⅳ,见表1。选用KENNAMETAL品牌的50A05RS90ED14D机夹飞刀盘,刀片简化模型,如图1所示,W为刀刃宽度,R为刀尖圆弧半径,L为切削侧刃长度,D为切削底刃长宽度,S为刀片厚度,侧刃后角为15°。将工件简化为15 mm×2.5 mm×3 mm和40 mm×40 mm×3 mm的两个方块,并对工件底部与两侧进行完全约束,前者用于仿真切屑形成过程,后者用于仿真铣削的全过程。刀片简化为厚度1 mm的壳。设定两工件的网格大小为0.01 mm,刀片刀尖和切削部位网格大小设置为0.01 mm,其它部位网格设置为0.1 mm。工件采用八结点热耦合六面体C3D8RT网格,刀片采用四结点热力耦合曲面薄壳S4RT网格,对工件进行沙漏控制,定义的三维铣削模型整体网格划分见图2,其中刀片①—⑤的刀具几何参数相同。工件材料为钛合金Ti6Al4V,机夹飞刀片材料为YG6X。

表1 刀片几何参数 mm

图1 刀片简化模型图2 机夹飞刀铣削Ti6Al4V工件三维模型

1.2 材料的本构模型选择

为了满足铣削过程中温度、大应变和高应变率的动态要求,并且大幅降低数值分析中的计算量,因此选择JohnsonCook模型,其具体形式为

(1)

表2 Ti6Al4V材料参数

1.3 材料失效分离准则

在ABAQUS软件中,Johnson-Cook剪切失效准则能够对应力、集中力、温度进行分析,特别适用于仿真铣削加工过程,当失效参数ω>1时,材料会出现断裂破坏而失效,其失效参数的定义为

(2)

(3)

2 钛合金铣削过程的有限元仿真

2.1 有限元模拟切屑的形成过程

铣削参数依次设定为:切削速度n=5 000 r/min,每齿进给量fZ=0.2 mm/z,切削宽度ae=30 mm,切削深度ap=1 mm,刀尖圆弧半径R=0.4 mm。模拟仿真15 mm×2.5 mm×3 mm方块的铣削,得到不同时刻米塞斯应力场分布云图如图3所示,从图3中可以看出,随着刀片的切入,工件的最大应力位置发生了变化,最大应力值达到1 705 MPa。

图3 切屑形成的应力云图

铣削钛合金方块的切屑形成过程中,不同时刻的铣削温度分布云图如图4所示。从图4中可以看出刀刃部位的温度最高。选取刀具与刀刃边缘的温度记为铣削温度,则最高铣削温度达到505.9 ℃。同时可以看出工件已加工部位的温度较低,刀尖和切屑的温度较高,小部分热量集中在切削部位由刀具带走,大部分热量集中在切屑上并被带走。

图4 铣削温度变化云图

2.2 有限元模拟钛合金工件铣削

2.2.1 铣削应力与铣削力仿真

铣削参数分别设置为n=5 000 r/min,fZ=0.2 mm/z,ae=30 mm,ap=1 mm,R=0.4 mm。铣削40 mm×40 mm×3 mm的长方块,铣削过程分为三个阶段,第一阶段是刀具与工件开始接触;第二阶段是铣削宽度达到最大切削宽度30 mm;第三阶段是刀具开始切出工件。仿真得到不同时刻的铣削应力分布云图如图5所示。从图5中可以看出:第一阶段的铣削应力逐渐增大,第二阶段的铣削应力达到最大,第三阶段的铣削应力逐渐减小。

图5 铣削应力分布云图

设置铣削参数不变的情况下,在钛合金工件的铣削过程中,X、Y、Z三个方向的铣削力变化如图6所示。图6中的三个阶段中,进给力平均值Fx≈215.29 N,径向力平均值(即主铣削力)Fy≈340.17 N,轴向力平均值Fz≈12.47 N。

2.2.2 铣削温度仿真

铣削40 mm×40 mm×3 mm工件全过程中5个刀片刀尖圆弧部位相同节点处铣削温度随时间的变化情况如图7所示,图中5个刀片相同节点的温度很接近,因此选取刀片铣削刃上的节点温度平均值作为铣削温度。在第一阶段刀片切入工件时,铣削温度迅速上升,但由于切屑分离工件后带走大部分热量,同时由于刀片自身热传导系数比较大,刀片温度会快速下降,呈缓慢增长趋势;在第二阶段5个刀片以最大的切削宽度铣削,铣削节点温度快速增长,5个刀片在铣削过程中相同节点处的平均铣削温度接近;在第三阶段片温度则快速下降。

图6 铣削力变化曲线图图7 铣削温度的变化曲线

铣削40 mm×40 mm×3 mm钛合金方块的过程中,刀片2铣削区域各节点处的铣削温度随时间的变化情况如图8所示。三个阶段的各节点整体温度变化趋势基本相同;节点5和节点6处的铣削温度更接近于刀尖温度,而且相对较高,刀尖的铣削温度T≈229.71 ℃。

图8 不同节点的铣削温度变化图

3 实验验证

图9 铣削力测试现场

为了验证机夹飞刀铣削钛合金工件的有限元模拟铣削力的准确性,采用与模拟铣削相同规格的机夹飞刀,在XK950高速铣削加工中心中,对40 mm×40 mm×3 mm的钛合金方块工件进行铣削力测试实验。实验中的铣削参数依次设置为n=5 000 r/min,fZ=0.2 mm/z,ae=30 mm,ap=1 mm,R=0.4 mm,采用干式顺铣铣削方式。钛合金铣削加工的现场如图9所示,在铣削的过程中火花四射,产生的切屑带走了大部分热量。采用YDX-III9702型压电式测力仪测量三个方向铣削力的结果见表3。

从表3可知,钛合金铣削过程中产生的铣削力的实验值与模拟值比较接近,其最大差值小于10%,考虑到钛合金铣削实验中的初始条件与仿真初始条件存在一定的差异,因此可认为此有限元模型可以替代实验进行机夹飞刀铣削钛合金仿真。

表3 实验与模拟结果对比

4 钛合金铣削的仿真参数分析

4.1 仿真与实验参数设计

根据加工钛合金零件时积累的机床参数和实际生产经验设定仿真参数范围见表4。

表4 仿真参数设置表

4.2 各参数对铣削力和刀尖温度的影响

采用ABAQUS软件建立钛合金方块铣削的三维有限元仿真模型,采用单因素法对钛合金方块的铣削过程及其切屑形成过程进行仿真,得到的主轴转速n、每齿进给量fZ、切削宽度ae、切削深度ap、刀尖圆弧半径R共5个参数对铣削力和温度的影响分别如图10—图14所示。

(a) 主轴转速与铣削力关系 (b) 主轴转速与刀尖温度关系图10 主轴转速对铣削力与刀尖温度的影响

(a) 每齿进给量与铣削力关系 (b) 每齿进给量与刀尖温度关系图11 每齿进给量对铣削力与刀尖温度的影响

(a) 切削宽度与铣削力关系 (b) 切削宽度与刀尖温度关系图12 切削宽度对铣削力与刀尖温度的影响

(a) 切削深度与铣削力关系 (b) 切削深度与刀尖温度关系图13 切削深度对铣削力与刀尖温度的影响

(a) 刀尖圆弧半径与铣削力关系 (b) 刀尖圆弧半径与刀尖温度关系图14 刀尖圆弧半径对铣削力与刀尖温度的影响

在图10中,随着主轴转速n的升高,三个方向的铣削分力均减小,其原因是随着主轴转速的升高,铣削速度增加,铣削区域的温度迅速升高,金属层发生软化,工件的可切削性能增加,铣削力减小。在图11—图13中,随着每齿进给量fZ、径向切削宽度ae和轴向切削深度ap的增大,切屑体积随之增大,铣削过程中的摩擦力与变形量显著增大,其中铣削力随着每齿进给量fZ的增大幅度明显大于径向切削宽度ae和轴向切削深度ap。铣削力随着轴向切削深度ap的增大幅度明显大于随径向切削宽度ae。由图14可见,铣削力随着刀尖圆弧半径R的增大而减小,原因是刀尖圆弧半径的增大减小了切屑的体积,使铣削力减小。当刀尖圆弧半径为0.8 mm时,铣削力沿Fz方向产生明显的突变,而刀尖圆弧半径为0.82 mm时并未出现突变,因此随着刀尖圆弧半径的变化铣削力的突变为偶然现象。

由图10—图14可知,随着主轴转速n、每齿进给量fZ、径向切削宽度ae的增大,刀尖的铣削温度T升高,但是其原因相差较大。随着主轴转速的升高,单位时间内机夹飞刀的每齿铣削频率增加,机床的实际做功增加,但是在铣削过程中只有小部分的功被以热传递的方式损耗,绝大部分功转换成热,因而铣削温度提高。每齿进给量fZ、径向切削宽度ae增加后,剪切区域的金属变形剧烈程度增加,材料去除率增大,故刀尖温度随之升高。在图12中,刀尖温度随着轴向切削深度ap的增大而减小,原因是增大轴向切削深度ap就能增大切屑的体积,同时有部分侧刃参与铣削,侧刃也会带走部分热量,导致铣削部位的刀尖温度降低。在图14中,刀尖圆弧半径R增大,减小了切屑的体积,使铣削过程中的变形力减小,同时摩擦力减小,使铣削热减少。

4.3 结果分析

为了分析铣削参数对主铣削力Fy和刀尖温度T的影响规律,可根据图10—图14的数据整理出主铣削力关于铣削参数的变化见表5,刀尖温度关于铣削参数的变化见表6。

表5 主铣削力关于铣削参数的增幅

表6 刀尖温度关于铣削参数的增幅

由表5可知,铣削参数对主铣削力Fy的影响幅度从大到小的顺序依次为ae、fZ、ap、n和R;影响的比例约为40∶30∶10∶(-1)∶(-2),主轴转速n与刀尖圆弧半径R对主铣削力Fy的影响极小且负相关。由表6可知,铣削参数对刀尖温度T的影响幅度从大到小的顺序依次为ae、fZ、R、n和ap;影响比例约为3∶2∶1∶(-1)∶(-3),其中R和ap对刀尖温度T的影响为负相关。

5 结语

1)本文基于ABAQUS建立了机夹飞刀铣削钛合金Ti6Al4V的三维铣削模型,将机夹飞刀简化为5个刀片进行铣削过程仿真,模拟了机夹飞刀高速铣削钛合金过程中切屑的形成过程。对比仿真结果与铣削实验结果发现,三个方向的铣削力误差均未超10%,因此所建立的仿真模型比较准确,适合用于机夹飞刀模拟铣削钛合金。

2)基于ABAQUS所建立的机夹飞刀铣削钛合金Ti6Al4V的三维有限元模型,仿真了机夹飞刀铣削钛合金工件的全过程,得到了5个刀片相同节点的温度比较相近,刀尖圆弧中心的节点温度最高。

3)采用单因素仿真分析了主轴转速n、每齿进给量fZ、切削宽度ae、切削深度ap、刀尖圆弧半径对主铣削力和刀尖温度的影响关系发现:铣削参数对主铣削力的影响幅度从大到小的顺序依次为ae、fZ、ap、n和R;影响的比例关系约为40∶30∶10∶(-1)∶(-2),主轴转速与刀尖圆弧半径对主铣削力的影响极小且负相关。铣削参数对刀尖温度的影响幅度从大到小的顺序依次为ae、fZ、R、n和ap;影响的比例关系约为3∶2∶1∶(-1)∶(-3),其中刀尖圆弧半径和切削深度对刀尖温度的影响为负相关。