A286高温合金切削性能有限元仿真分析

潘克强

摘 要：针对A286高锁螺母切削过程中因切削力引起的变形，导致锁紧、拧断力矩变化的问题，基于ABAQUS建立三维车削模型，通过采用J-C本构方程进行模拟，获得不同切削状态下切屑、切削力和应力变化曲线图，应用有限元仿真进一步分析不同切削状态对切屑、切削力和应力变化规律的影响，为A286高锁螺母实际切削加工参数的选择提供参考。

关键词：高温合金;有限元仿真;切削状态;切削力

中图分类号：TH161文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0029-03

Abstract： Aiming at the problem that the deformation caused by cutting force in the cutting process of A286 high lock nut leads to the change of locking and screwing torque， a three-dimensional turning model was established based on ABAQUS. The curves of chip， cutting force and stress under different cutting conditions were obtained by using J-C constitutive equation. The finite element simulation was applied to further analyze the effects of different cutting conditions on chip， cutting force and stress the influence of the variation law provides a reference for the selection of actual cutting parameters of A286 high lock nut.

Keywords： superalloy;finite element simulation;cutting conditions;cutting force

高锁螺母、高锁螺栓连接副具有强度高、抗疲劳、自锁、防振，并能实现高效的单面装配等优点，其连接组件可提高结构连接区域疲劳寿命1.7～2.5倍[1]。依靠精巧的断颈槽结构设计，当施加一定力矩时，断颈槽断裂工艺部分被拧断，减轻了紧固件重量，同时工作部分完成高锁连接副的装配。

A286是以金属间化合物γ'相强化时效沉淀强化型铁基高温合金[2]，适合制造长期工作在650 ℃以下的高温承力部件[3]。但是，在A286高温合金切削加工过程中，产生大量的切削热，工件表面出现淬硬现象，导致表面硬化，局部应力增大，材料切除困难。此外，高锁螺母断颈槽壁厚较薄，甚至会出现工件变形，使零件尺寸一致性较差，影响力学性能，无法满足力学性能要求。因此，对A286高温合金的切削特性进行研究尤为重要。

1 A286切削过程ABAQUS仿真

1.1 模型的定义

在模拟车削实际加工过程中，工件以一定的速度[n]转动，刀具以一定的切削深度[ap]沿回转轴线按进给速度[f]切削，实现材料从坯料上去除。本文应用仿真软件建立了不同切削状态下高锁螺母断颈槽有限元三维模型，研究了A286高温合金在不同车削状态下的仿真结果。在仿真过程中，将刀具设置为刚体且具备热传导性能 ，刀具绕高锁螺母中心线旋转，忽略仿真過程中由温度变化引起的物理化学变化。然后，考虑动力学、材料断裂、接触属性和仿真切削过程中的热力耦合问题。高锁螺母切削仿真模型如图1所示。断颈槽回转半径为3.8 mm，壁厚为0.825 mm，切削宽度为0.5 mm。工件选用C3D8T八节点热耦合六面体单元，刀具选择常用的硬质合金YG8材料[4]。

1.2 材料本构模型

金属切削仿真是非常复杂的过程，在材料塑性变形过程中伴随大量的切削热、大应变和高应变率。材料本构模型的选择将直接影响切削仿真结果的准确性、可靠性和仿真是否具有实际意义[5-6]。

Johnson-Cook模型可以很好地模拟A286高温合金在不同切削状态过程中的加工硬化、应变率和热软化效应。本文在ABAQUS建模过程中，采用Johnson-Cook本构模型模拟A286高温合金的参数定义，如式（1）所示。A286高温合金材料参数如表1所示，Johnson-Cook本构模型参数设置如表2所示。

式中：[σ]为等效应力;[ε]为等效塑性应变;[ε]为等效塑性应变率;[ε0]为参考应变率;[T]为工件温度;[Tr]为室温（通常设置为20 ℃）;[Tm]为工件材料熔化温度;[A、B、C、n、m]为Johnson-Cook模型材料物理特性常数[5]。

1.3 切屑断裂失效模型

切屑形成过程采用与材料模型对应的Johnson-Cook断裂失效模型定义，如式（2）所示，当失效参数值[D]大于1时，认为网格单元失效并删除网格，形成切屑。

2 仿真结果分析

2.1 不同切削状态下的切屑形态

本文通过单因素法研究不同切削状态下切屑的形态，即只改变刀具前角，其他参数保持不变，切削参数设置为切削速度[vc] =630 m/min，切削深度[ap]=0.18 mm，刀具进给量[f]=0.12 mm。刀具前角分别选择7.5°、12.5°、17.5°等进行断颈槽的切削加工模拟，获得的不同切削状态下切屑形态如图2所示。

通过仿真结果可知，在相同的切削速度、切削深度和进给量下，不同切削状态下切屑均出现锯齿形态。