鈦合金TC11高效銑削關(guān)鍵技術(shù)突破：錐度球頭刀切削力仿真分析與精準(zhǔn)預(yù)測模型研究——面向航空發(fā)動機(jī)薄壁構(gòu)件加工需求

作為一種α+β相耐熱鈦合金，鈦合金TC11具有高強(qiáng)度、超強(qiáng)耐腐蝕性、優(yōu)異的抗蠕變性和較好的熱穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪盤、葉片等重要構(gòu)件。在鈦合金切削過程中切削溫度較高、切削力較大，刀具容易磨損，加工效率整體較低，加工表面容易產(chǎn)生表面微裂紋、加工硬化等現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金加工進(jìn)行了大量的研究:岳彩旭、張統(tǒng)等利用ABAQUS軟件建立了平底銑刀銑削鈦合金TC4的C形薄壁零件仿真模型，結(jié)果表明有限元模型可以預(yù)測銑削力;劉昂馳等對鈦合金TC4進(jìn)行了順銑和逆銑加工研究，結(jié)果表明逆銑銑削力大于順銑銑削力;從政、楊振朝等分別針對鈦合金TC11進(jìn)行車削仿真和高速銑削試驗(yàn)，得出工藝參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。

上述研究主要是針對用平底銑刀銑削鈦合金的情況，但渦輪盤、葉片等是由復(fù)雜自由曲面構(gòu)成的零件，多采用球頭刀配合小切削深度來加工側(cè)壁，加工效率低。相比于球頭刀，錐度球頭刀的曲面部分由一個(gè)大曲率半徑圓弧構(gòu)成7，能夠增大刀具整體的剛性，可承受較大的切削深度，被廣泛應(yīng)用于航空薄壁零件的高效加工。由于錐度球頭刀可以承受較大的切削深度，因此編程時(shí)可以縮短

刀具路徑，提高生產(chǎn)效率。

隨著五軸加工技術(shù)和CAM的發(fā)展，錐度球頭刀被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面?zhèn)缺诘母呔群透咝始庸ぁ１疚牡难芯勘尘盀楹娇崭叨酥圃臁皩＞匦隆碑a(chǎn)業(yè)學(xué)院中西安亞太菁英智能裝備有限公司生產(chǎn)項(xiàng)目。為解決薄壁零件加工變形問題，有必要對錐度球頭刀銑削鈦合金TC11的切削力進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)薄壁零件高質(zhì)、高效銑削加工提供理論支撐。

1、試驗(yàn)方案

切削試驗(yàn)材料為鈦合金TC11，試驗(yàn)件尺寸為100mmx10mmx50mm，試驗(yàn)件采用平口鉗夾持的方法固定在機(jī)床工作臺上，試驗(yàn)件長度方向沿X軸方向，如圖1所示。刀具采用整體硬質(zhì)合金6 mm錐度球頭刀，刀齒個(gè)數(shù)為4。采用刀具側(cè)刃進(jìn)行銑削加工，切削寬度為0.2mm。

切削力是表征切削過程穩(wěn)定性的重要物理量之一，它的大小會影響表面完整性、薄壁零件變形程度和刀具耐用度。為了研究切削速度[v。]、切削深度[a]和每齒進(jìn)給量[f]3個(gè)工藝參數(shù)對主切削力[F1]的影響，采用田口法進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)分析，各參數(shù)所對應(yīng)水平見表1。

表1試驗(yàn)因素及水平

2、切削仿真分析方法

在建立的切削仿真三維模型中,需要對材料的本構(gòu)模型、斷裂準(zhǔn)則、比熱、密度、泊松比等進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。切削仿真過程涉及材料的彈性、塑性硬化和斷裂過程間。塑性屈服與應(yīng)變硬化采用 John-son-Cook塑性模型,因?yàn)槠鋼碛心軌蚝芎玫孛枋鼋饘僭诖髴?yīng)變、高應(yīng)變率和高溫下的本構(gòu)方程,見公式[1]。

式中:  σ為材料的流動應(yīng)力, MPa; A為屈服應(yīng)力強(qiáng)度, MPa; B為應(yīng)力強(qiáng)化常數(shù);  ε pl為等效塑性應(yīng)變; n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù); C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù);  ε ˙ pl為等效塑性應(yīng)變率;  ε ˙ 0 為參考應(yīng)變率,取  1.0 s ?1; T為樣品的環(huán)境溫度，℃;T為室溫，℃;T為材料的熔點(diǎn)，℃;m為溫度應(yīng)變率靈敏度。表2為鈦合金TC11材料 Johnson-Cook塑性參數(shù)。

表2 TC11材料 Johnson-Cook塑性參數(shù)

材料的失效準(zhǔn)則采用 Johnson-Cook損傷模型，其中失效應(yīng)變  ε D pl 由公式[2]計(jì)算，TC11的Johnson-Cook失效參數(shù)見表3。

式中:  D 1  ～  D 5 為失效參數(shù), p為靜水應(yīng)力, q為米塞斯應(yīng)力。

表 3 TC11的 Johnson- Cook失效參數(shù)

結(jié)合試驗(yàn)工藝參數(shù)完成刀具和工件的裝配。分別采用 C3D10和 C3D8R單元對刀具和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,刀具網(wǎng)格尺寸應(yīng)大于工件網(wǎng)格尺寸。將刀具設(shè)置為剛體和主動面,工件設(shè)置為從動面,刀具和工件之間的相互作用模式為通用接觸,包括面-面接觸和工件的自接觸。最后對工件施加固定約束,對刀具施加移動速度和旋轉(zhuǎn)速度,完成銑削加工模擬仿真。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1影響規(guī)律分析

切削參數(shù)為  v_c=30m/min、f_z=0.06mm/z、  a_p=9mm時(shí),銑削加工應(yīng)力云圖如圖 2所示,可以看出, Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在刀具和工件的接觸點(diǎn)。這是由于在該變形區(qū)切削層受到刀具的剪切與擠壓作用,接觸面材料的應(yīng)力值達(dá)到材料的斷裂極限,開始出現(xiàn)切屑分離  [13]。仿真產(chǎn)生的切屑形狀為帶狀結(jié)構(gòu),并且出現(xiàn)了一定的卷曲,切屑貼近刀具的螺旋槽發(fā)生卷曲。切削仿真所產(chǎn)生的切屑形態(tài)與生產(chǎn)加工鈦合金產(chǎn)生的切屑形態(tài)[如圖 3所示)近似。

結(jié)合圖1可知，X軸方向?qū)?yīng)于刀具的進(jìn)給方向，Y軸方向表示刀具的徑向方向，Z軸方向指的是銑削刀具的軸向方向。刀具徑向切削力最大，是

引起薄壁工件變形的重要原因，因此本文將重點(diǎn)研究刀具的徑向切削力。切削參數(shù)為v_c=30m/min、f_z=0.06mm/z、  a_p=9mm時(shí),切削力隨時(shí)間的變化如圖4所示。隨著時(shí)間的增加,切削力呈周期性變化。在一個(gè)切削周期內(nèi)，隨著刀齒的切入、切出，切削力先增大后減小，切削力最大值時(shí)刻切削面積最大。

依次按照三因素三水平正交試驗(yàn)表的順序完成切削仿真,獲得的切削力結(jié)果見表 4。

表4正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了獲得工藝參數(shù)對切削力的影響規(guī)律,采用田口法進(jìn)行分析。根據(jù)表 4中的數(shù)據(jù)結(jié)果,分別計(jì)算出各因素在每個(gè)水平條件下的切削力平均值和極差,最終得到均值響應(yīng)表[表5]。極差的大小反映了每個(gè)試驗(yàn)因素對切削力結(jié)果影響的強(qiáng)弱，對切削力影響最大的工藝因子是切削深度，其次是每齒進(jìn)給量，切削速度最小。

表5均值響應(yīng)表

3.2建立切削力預(yù)測模型

采用多元線性回歸法對表 4所示的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,切削速度  [v c ]、切削深度  [a p ]和每齒進(jìn)給量  [f z ]作為自變量,切削力  [F 1 ]作為因變量,建立錐度球頭刀銑削鈦合金TC11的切削力預(yù)測模型,如式[3]所示。

對預(yù)測模型進(jìn)行方差分析,是驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和可用性的方法之一。式(4)所示預(yù)測模型的方差檢驗(yàn)見表 6。由表可知,切削力預(yù)測模型中回歸項(xiàng)的 P小于 0.05,即預(yù)測模型顯著,可以實(shí)現(xiàn)對切削力的準(zhǔn)確預(yù)測。

表6切削力預(yù)測模型的方差檢驗(yàn)

模型預(yù)測結(jié)果和切削力試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖5所示。可以看出,預(yù)測模型對 9組試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢的預(yù)測是準(zhǔn)確的,其中第 7組參數(shù)組合的切削力誤差最大為 15.36%;第 1組參數(shù)組合的切削力誤差最小僅為2.55%;9組試驗(yàn)的平均切削力誤差為7.45%。

圖6[a]為當(dāng)a_{p}=8mm時(shí),切削速度和進(jìn)給量對切削力的交互影響規(guī)律。可以觀察到在30~50 m/min的切削速度范圍內(nèi)，切削力表現(xiàn)出遞減趨勢。這一現(xiàn)象可以解釋為增加切削速度導(dǎo)致被加工工件材料的塑性變形減小，同時(shí)引發(fā)了剪切角增大，從而導(dǎo)致切削力降低。提升切削速度還會引發(fā)更多切削熱量的產(chǎn)生，進(jìn)一步強(qiáng)化材料的熱軟化效應(yīng)。圖6[b]為當(dāng)v。=40m/min時(shí)，切削深度和進(jìn)給量對切削力的交互影響規(guī)律。隨著切削深度和進(jìn)給量的增大，切削力也隨之增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，隨著切削深度的增大，錐度球刀與工件接觸的圓弧長度增加，使得切削面積增大，導(dǎo)致變形力增大，摩擦力也增大。隨著進(jìn)給量的增大，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的材料體積增大，刀具與材料和切屑之間的摩擦增加，切削力不斷增大。

4、結(jié)束語

本文給出的分析銑削力變化規(guī)律的方法和預(yù)測模型建模方法通用性較強(qiáng)，為錐度球頭刀切削金屬材料的切削力預(yù)測提供了一種思路。但是，實(shí)際

銑削加工過程中需要考慮的因素很多，本文仿真所用為實(shí)際工件的簡化模型，還需和企業(yè)聯(lián)合開展相關(guān)試驗(yàn)，以進(jìn)一步優(yōu)化模型。

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（注，原文標(biāo)題：錐度球頭刀銑削鈦合金TC11切削力研究）