基于ABAQUS 下高合4169 切削仿真技术分析

侯献军

（沈阳理工大学， 辽宁 沈阳 110159）

0 引言

高温合金的特殊材料属性决定了加工方法的选择，高温合金属于难加工材料的范畴，虽然具有强度高、化学性能稳定和耐腐蚀性等优点，但是加工的过程中很难保证刀具的磨损和加工零件的精度要求。王相宇[1]在高温合金GH4169 的切削加工性评价方法和本构模型研究中提出了高合4169 的加工方法与本构模型的建立。罗凯[2]在高效铣削镍基高温合金仿真中将高温合金的工艺参数进行了优化。GH4169 切削加工中切削性差，其主要原因是高温合金导热性差、刀具磨损和加工硬化严重[3]。因此，针对高合4169 难加工的特性进行切削仿真试验，得出最优的试验方案结果。

1 高合4169 切削有限元模型及方案设计

1.1 高合4169 切削有限元模型

高合4169 的切削仿真中主要考虑本构模型的建立，高合4169 的切削材料本构模型采用采用Johnson-Cook 模型仿真，模型主要针对应力、应变、温度和时间的变化，切削仿真在后处理求解的过程中需要考虑应变率和温度之间的影响。其中材料切削本构模型Johnson-Cook 模型[4]公式如下：

式中：σ 为材料流动应力；A 为屈服应力强度；B 为应力强化常数；N 为应变强化指数；εp为等效塑性应变；C 为应变率强化参数为应变速率；ε 为等效塑性应变；T*=（T-Tr）（Tm-Tr），其中Tr为室温，Tm为材料熔点；m 为温度应变灵敏度。

1.2 切削方案设计

在高合4169 的切削仿真中切削三要素的选择十分重要，切削仿真主要是应用于指导实践的加工，加工过程中根据高温合金的材料特性选择加工方法，仿真试验是无限的靠近实际加工，在切削仿真中切削速度、背吃刀量和进给量的选择依据实际加工参数。本切削仿真选择三组水平试验，最终对切削仿真结果进行对比得出最优的试验方案，试验设计方案表如表1所示。

2 高合4169 切削仿真分析

高温合金在切削仿真中工件采用的材料为高合4169，其中高合4169 的密度为8.24 kg/m3，弹性模量为120 GPa，高合4169 的具体材料参数如表2 所示。

表2 高温合金材料参数

高合4169 切削仿真时采用Φ5 mm 的立铣刀，刀具在切削仿真中为刚体结构，工件的尺寸为15 mm×8 mm×8 mm，刀具网格划分采用四面体进行网格划分，其中网格节点数量为4 265、单元数量为19 798；工件网格划分采用六面体进行网格划分，其中网格节点数量为81 344、单元数量为75 640。单元数量为14 564，其中刀具与工件的网格划分如图1 所示。

图1 刀具与工件网格划分

第一组高合4169 试验仿真如下：仿真切削过程中主轴转速为600 r/min，背吃刀量为2 mm，进给量为200 mm/min，切削速度为9.42 m/min。ABAQUS 切削仿真中对参数设定后进行后处理求解，求解分析主要针对切削产生的等效应力和切削温度变化，其中切削最大等效应力为1.753×103MPa，最小等效应力为2.913 MPa。等效应力最大为刀尖与工件接触的地方，刀具与工件切削的过程中已加工面等效应力逐渐减少，根据等效应力变化图分析可得应力在切削的过程中为瞬态变化，其中高合4169 切削等效应力图如图2 所示。

图2 切削等效应力（MPa）变化

高合4169 在切削仿真中切削温度的变化也是考虑的关键，在第一组仿真参数下切削温度最大为474.8 ℃，最小切削温度为30 ℃。每一个单元温度变化从一开始的30 ℃跳跃式变化到一个恒定的温度层，随后保存切削温度平稳的特性，切削温度变化图如图3 所示。

图3 切削温度（℃）变化

第二组高合4169 试验仿真如下：仿真切削过程中主轴转速为1 000 r/min，背吃刀量为0.5 mm，进给量为200 mm/min，切削速度为15.71 m/min。ABAQUS切削仿真中对参数设定后进行后处理求解，求解分析主要针对切削产生的等效应力和切削温度变化，其中切削最大等效应力为1.705×103MPa，最小等效应力为1.944 MPa。根据等效应力变化图分析可得应力在切削的过程中为瞬态变化，其中高合4169 切削等效应力图如图4 所示。

图4 切削等效应力（MPa）变化

高合4169 在切削仿真中切削温度的变化也是考虑的关键，在第二组仿真参数下切削温度最大为443.1 ℃，最小切削温度为30 ℃。每一个单元温度变化从一开始的30 ℃跳跃式变化到一个恒定的温度层，随后保存切削温度平稳的特性，其中切削温度变化图如图5所示。

第三组高合4169 试验仿真如下：仿真切削过程中主轴转速为1 200 r/min，背吃刀量为0.1 mm，进给量为300 mm/min，切削速度为18.85 m/min。ABAQUS切削仿真中对参数设定后进行后处理求解，求解分析主要针对切削产生的等效应力和切削温度变化，其中切削最大等效应力为1.578×103MPa，最小等效应力为1.318 MPa。等效应力最大为刀尖与工件接触的地方，根据等效应力变化图分析可得应力在切削的过程中为瞬态变化，其中切削等效应力图如图6 所示。

图6 切削等效应力（MPa）变化

高合4169 在切削仿真中切削温度的变化也是考虑的关键，在第三组仿真参数下切削温度最大为166.8 ℃，最小切削温度为30 ℃。每一个单元温度变化从一开始的30 ℃跳跃式变化到一个恒定的温度层，随后保存切削温度平稳的特性，其中切削温度变化图如图7 所示。

图7 切削温度（℃）变化

3 结语

通过对高合4169 切削仿真分析可得，切削仿真采用三组对比试验仿真，设置不同的主轴转速、背吃刀量、进给量和切削速度进行高合4169 的切削仿真试验，后处理求解主要针对切削过程中的切削等效应力和温度变化情况分析，等效应力的分析中每一个节点单元在切削的一瞬间成跳跃式变化，切削温度从初始温度30℃开始变化，初始温度以后跳跃变化到最高切削温度然后维持水平温度变化。切削等效应力在背吃刀量减小时应力变化间隙变宽，最高切削应力变小。在加工高合4169 的时候采用特殊的冷却液避免产生高温度变化加剧刀具磨损，降低背吃刀量可以减少温度变形，低转速和低进给的方式进行切削对去除材料产生大变形得以控制，加工后的整体表面质量才能得以控制。