基于Deform—3D车削钛合金Ti—6Al—4V的加工过程仿真

陈卓

【摘 要】通过Deform-3D软件，进行了钛合金Ti-6Al-4V车削过程的仿真，预测了切削力和切削温度，为提高刀具耐用度和加工质量提供了有效方法，为改善难加工材料的切削加工性提供了参考依据。

【关键词】车削；Deform-3D；切削力；切削温度；仿真

0 引言

钛合金作为航空、航天、航海、医疗等领域应用较为广泛的一种难加工材料，其加工过程中一直存在切削温度高、刀具耐用度低、加工质量难以保证等问题。预测切削过程从而优化切削参数进而达到提高刀具耐用度和加工质量是现实钛合金加工优化最有效的方法之一，由于实际切削实验需要耗费价格不菲的刀具和材料且实验时间较长，因此通过计算机仿真技术预测切削过程已成为目前常见的方法。现阶段，Deform、Ansys、Abaqus、AdvantEdge等软件已普遍应用于金属切削过程的仿真[1-3]。

本文选择三维有限元软件Deform-3D作为仿真实验平台，以车削钛合金TC4作为研究对象，采用硬质合金刀具，预测了不同切削参数对切削力和切削温度的影响规律，为切削参数的优化提供了参考。

1 仿真步骤

Ddeform-3D软件可以分析车削、铣削、钻削等加工过程，本文以车削加工为研究对象。首先，建立切削模型和设置参数。Deform-3D软件可以导入其他三维建模软件创建的模型，导入的格式有STL、UNV、IGS等。此外，Deform-3D也自带建模功能。本文采用Deform-3D自带建模功能，创建车削模型如图1所示。参数的设置分别为： 切削速度v为别为80、100、120m/min，进给量f分别为0.05、0.1、0.15 mm/r，切削深度ap分别为0.3、0.6、1mm。

图1 车削模型

第二步，进行网格划分。Deform-3D有两种划分方法——相对和绝对网格划分。本文中工件采用绝对网格划分方法，最大和最小网格单元尺寸之比为7；刀具采用的是相对网格划分，其单元数为36000。

第三步，材料定义。Deform-3D有自带的刀具和工件材料库，同时也可添加自定义材料。本文中，刀具选择Deform-3D自带型号为CNMA432的刀片，工件选择材料库中的Ti-6Al-4V（等同我国的TC4）。

最后，根据前面的步骤进行求解运算并进行后置处理，以图形显示和生成相关数据。

2 仿真结果与分析

切削力和切削温度是切削过程中重要的物理现象，直接影响刀具的磨损和加工表面质量，从而影响材料的切削加工性。因此，对切削过程的切削力和切削温度进行仿真和分析，从而作为降低刀具磨损速率、提高刀具耐用度的理论依据。切削速度v=100m/min，切削深度ap=0.3mm，进给量f=0.1m/r时，采用Deform-3D软件仿真切削力的结果如图2（a）所示，切削温度变化情况如图2（b）所示。

（a）切削力变化仿真原始曲线

（b）切削温度条形图

图2 Deform-3D仿真结果原始图

（v=100m/min，ap=0.3mm，f=0.1m/r）

根据Deform-3D的仿真结果，获得相关切削力和切削温度数据，用Origin 8.5软件绘制数据，如图3所示。

如图3所示，总体上随着切削参数的增加，切削力和切削温度随之增大，二者的增大趋势相同，但速率有所不同。

如图3（a）所示，随之切削速度和进给量的增加，切削力和切削温度的增大速率有所不同，当切削速度从80增加到100m/min时，切削温度的增大速率大于切削力的增大速率，当切削速度从100增加到120m/min时，切削温度的增大速率低于切削力的增大速率。在图3（b）中，随着切削深度的增加，切削温度的增大速率要远小于切削力的增大速率。而图3（c）中，切削力和切削温度的增大速率基本一致。

切削温度是影响刀具耐用度的重要因素，而刀具耐用度是衡量切削加工性能的重要指标。通过图3和以上分析可知， Ti-6Al-4V车削加工时，应选择相对较低的切削速度和进给量及较大的切削深度，这有利于降低切削温度，提高刀具耐用度。

3 结语

本文通过使用Deform-3D软件对钛合金Ti-6Al-4V的车削过程进行了模拟分析，结论如下：

1）Deform-3D软件进行切削加工过程的仿真步骤包括：建模、参数设置、网格划分、材料定义、求解运算和后置处理；

2）车削钛合金Ti-6Al-4V时，随着切削参数的增加，切削力和切削温度随之增大，但增大速率有所不同。

3）车削钛合金Ti-6Al-4V时，应选择相对较低的切削速度和进给量及较大的切削深度。

【参考文献】

[1]李涛，顾立志.金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题[J].工具技术，2008，42（12）：14-18.

[2]庞丽君，尚晓峰.金属切削原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]王殿龙，于贻鹏.金属切削过程的有限元法仿真研究[J].大连理工大学学报， 2007，47（6）：829-833.