钛及钛合金加工切削力的有限元仿真计算
来源:    发布时间: 2017-10-17 09:43   498 次浏览   大小:  16px  14px  12px
    钛合金具有良好的耐腐蚀性能和突出的力学性能,在航空航天、化工、医疗等领域均有广泛的应用。但钛合金材料机械加工性能较差,在加工过程中,具有变形系数小、切削温度高、单位面积上的切削力大、冷硬现象严重等切削特
    钛合金具有良好的耐腐蚀性能和突出的力学性能,在航空航天、化工、医疗等领域均有广泛的应用。但钛合金材料机械加工性能较差,在加工过程中,具有变形系数小、切削温度高、单位面积上的切削力大、冷硬现象严重等切削特性[1]。当前高速切削已成为在钛合金加工过程普遍的趋势。在相关的切削过程中,最重要的因素是工件和刀具,此外还应考虑刀具、工件夹紧和冷却润滑液等其它因素。工件表面加工质量取决于加工过程中的加工精度,如切削参数(vc, f, ap)选择不正确、加工系统的振动、刀具的磨损都会导致表面加工质量下降。在刀具刀刃的作用下,工件的多余材料变为切屑,而在切屑形成区压缩应力和摩擦力的分布会直接影响切削过程产生的切削力。基于上述影响因素,本文利用DEFORM软件模拟了钛及钛合金的切削过程,并估算了切削力。
    重庆钛制品DEFORM是基于有限元理论的金属塑性成型和工艺模拟的软件系统[2,3],能够通过计算机仿真获得切削过程中任意时刻的切削力、切削温度和道具磨损量等重要数据。本文使用的是DEFORM中的Machining模块对刀具和工件进行建模,对切削刀具的工作部分的增量运动进行了仿真模拟。考虑到加工过程的计算量,本文使用的是DEFORM 2D,它减少了在一个维度上的仿真问题,对于垂直切削问题影响不大,对于复杂的切削问题仿真建议使用DEFORM 3D软件。
    1 钛及钛合金切削过程及切削参数的选择
    重庆钛制品选择了TA0、TA1和TC4三种材料进行了仿真计算。在仿真计算中不考虑工件材料的弹性变形的影响。利用DEFORM 2D软件设置了初始仿真条件[3],如:过程类型、几何图形、工件和刀具的材料、工件的网格、刀具对工件的相对运动等,而工件通过施加位移边界条件固定。
    在钛和钛合金加工过程中,粗加工时可以采用小切削速度、大切削深度来提高生产效率率。一般来说,工业纯钛和普通钛合金的粗加工使用60m/min的速度,精加工使用250m/min的速度。在加工钛及其合金时,为了消除刀具和工件接触处的多余的热量,也为了减少切削过程中形成的切屑,加工过程中一般要使用冷却液。
    切削过程产生高温使切屑产生硬化,而这些硬化的切屑会导致刀具的过早磨损,对钛及钛合金的加工来说尤其如此。切削参数的正确选择就是在切割速度和切屑尺寸(由切削量和进给量决定)之间寻找平衡。随着刀具不断切入工件,切削力不断增大,在刀刃处产生应力集中,当刀刃处的金属剪应力超过强度极限时,材料被剥离,切削力随之下降,产生切屑。
    工件材料的机械加工性能从某种程度上来说可以通过切削力的大小来描述,总切削力由主切削力、进给力、径向力(背向力)三部分组成。切削力的大小与很多因素有关,上世纪初以来人们通过大量的试验建立切削力和切削温度模型,并用解析法分析切削过程,提出了很多用于工程的切削力计算公式[4]。根据经验,可以利用下式来确定切削力[5]:    式中σr为工件材料的强度极限,f为进给量,ap为切削深度。对于延展性较好的塑性材料(如低碳钢)来说,式中的可变参数取为3。而对于铸铁等延展性较差的脆性材料(如铸铁)来说,可变参数取为7。
    切削力是切削加工过程中的一个重要指数,受很多参数的影响:刀具的材料和形状、刀具的磨损、工件的材料、切削参数、冷却液、夹具、加工系统的状态、环境温度[6]等等。在使用DEFORM 2D软件对钛及钛合金切削力的估算的仿真计算中,模拟了垂直切削的过程,选择的切削速度vc=60m/min,切割深度ap=1mm,刀具前角γ= 5?,仿真模拟过程中使用的均为国际标准单位。http://hmcmag.com/