基于有限元的钛合金材料的切削加工技术研究

蔡容 郑秀云

摘要：通过分析各种有限元软件的优缺点，选择DEFORM软件作为分析工具对钛合金材料Ti6Al4V的切削过程进行数值模拟，建立工件和刀具的正交切削平面应变的有限元模型，对金属切削加工过程进行了实时的仿真，为正确设计和合理使用刀具提供理论依据。

Abstract： By analyzing the advantages and disadvantages of various finite element software， DEFORM software is selected as the analysis tool to simulate the cutting process of titanium alloy Ti6Al4V. The finite element model of orthogonal cutting plane strain of workpiece and tool is established， and the real-time simulation of metal cutting process is carried out， which provides a theoretical basis for the correct design and rational use of tools.

關键词：DEFORM;钛合金;有限元模型;仿真

Key words： DEFORM;titanium alloy;finite element model;simulatio

中图分类号：TG506.9                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0119-02

0  引言

在当今机械制造业中，金属切削加工的地位不容小觑，它对国家的经济和技术发展有着重要的影响。而钛合金材料是一种非常典型的难加工材料，具有较小的弹性模量和导热系数，在对其进行切削加工，尤其是高速切削过程中，很容易出现温度过高而造成刀具磨损的问题。所以要实现钛合金的快速、高效切削加工是非常困难的。显然对于该材料的切削过程传统的研究方法是不可行的，因此需要一种新的研究方法，即数值模拟来代替传统的研究方法，通过计算机模拟仿真来代替实际的切削实验，能够更直观有效地分析其切削过程。

1  切削过程基本理论

切削过程是由刀具从工件表面切除多余材料的过程，在整个切削过程中，会产生切削变形、切削热以及刀具磨损等现象[1]。切削用量、工件材料、刀具材料及几何参数等因素都会对工件的加工质量、刀具的使用寿命有着非常大的影响。掌握切削热、切削变形的产生机理和它们之间的内在联系，对提高加工质量、降低成本和提高生产效率具有深远的意义。

高效率、高精度、高质量以及低成本是高效切削追求的目标，一直被国内外学者所研究，在金属切削过程中，由于刀具与工件之间的不断摩擦以及切削应力切削热的共同作用下，刀具会逐渐出现磨损进而降低了加工工件的表面质量，造成不必要的经济损失。对于钛合金材料来说，由于其切削环境更为恶劣使得刀具的耐用度降低。研究发现，刀具磨损的过程相对比较复杂，通常是由于多个因素共同作用的结果[2]。刀具的磨损形式不尽相同，不同的切削条件，由于切削参数的不同，刀具磨损中起到主要作用的磨损机理也会不尽相同。刀具的磨损机制可分为硬质点划痕、冷焊粘结、扩散磨损及化学磨损。其中硬质点划痕是在各种切削速度下都存在的，扩散磨损是在高温下出现的，并且随着温度的升高而加剧。

在整个生产过程中，切削质量直接影响产品的质量，其中刀具磨损是无法避免的一个难题，研究表明，影响刀具磨损的因素有很多，其中切削温度与刀具耐用度之间有着最紧密的内在联系，控制切削区的温度对延长刀具使用寿命有着积极的作用。

影响切削温度的主要因素如下：

①切削用量，在切削用量三要素中，切削速度、进给量和背吃刀量增大，切削温度上升，其中切削速度对切削温度的影响最大。

②刀具几何参数，主要是前角的影响比较大，前角增大，切削温度下降，但是也不能过大，这也有一个最优值。

③工件材料，工件材料的强度硬度越高，切削温度越高，导热系数小时，不易散热，切削温度越高。

可以发现，要正确的设计和合理的使用刀具要综合考虑各种因素，包括工件材料、刀具材料、切削用量等因素。为此，对整个切削过程中所伴随的切削变形、切削热以及刀具磨损现象的研究不能单一的研究某一方面，必须综合考虑，应用有限元软件对整个切削过程进行仿真分析是目前最经济有效的方法。

2  有限元程序的选择

随着计算机技术的普及，有限元分析在各种工程设计和分析中的应用越来越广，例如汽车、航空航天、船舶、机械制造等领域，几乎所有的设计制造都离不开有限元。有限元主要可以模拟试验方案，减少试验经费，优化设计方案等。

目前，在金属切削加工的仿真分析中，通用的软件有ANSYS、DEFORM、MARC、ABAQUS等[3]，这些软件均提供了良好的前后处理及求解环境，并且能与CAD软件进行数据交换，其中DEFORM具有专门的车削仿真模块，是基于工艺系统的有限元仿真软件，所以最终选择DEFORM软件作为分析工具来开展研究工作，主要包括前处理器、仿真和后置处理这三个部分，其一般分析步骤为：

①建立工件和刀具的有限元模型，有限元模型其实是真实系统理想化之后的数学抽象，由一些简单形状的单元组成，单元节点之间通过单元节点连接，一般在前处理中完成如下：定义工件材料、刀具材料的属性，如杨氏模量、比热容、热传导系数等，定义边界条件，工件和刀具的网络划分。

②设定切削参数，施加各种约束，进行仿真计算求解，将结果写入结果文件和数据库中。

③分析计算结果，等值线图显示，从仿真结果中可以得到切削力、切削温度、应变等。

3  仿真分析实例

从切削加工理论可得知，切削过程中产生的切削热对刀具的寿命及磨损有着重大的影响，另外，切削热还会使工件和刀具产生变形、残余应力，从而会影响加工质量。所以对于切削温度的研究，不管是对切削过程的分析，还是研究刀具磨损机理、优化切削用量和刀具参数等方面都是意义重大的。

本仿真实例中刀具选择WC硬质合金材料，工件材料为Ti6Al4V钛合金，对其车削过程进行仿真分析，建立的二维有限元仿真模型如图1所示，工件和刀具的形状直接在软件中进行定义，比较简单。工件定义为弹塑性体，刀具定义为刚体。有限元网格的划分方法采用自适应网格划分，工件和刀具均采用六节点三角形网格单元，切削过程中采用工件水平向右运动，刀具不动的方式实现切削。

仿真过程中工件的性能根据表1来进行设定[4]，其中热导率随温度变化，WC刀具材料的性能参数根据表2设定，刀具热导率恒定，摩擦热均匀的传递给刀具与工件。

在仿真试验中刀具的几何参数可不固定，切削速度与切削深度都采用固定值分别为150m/min和0.2mm。刀具的几何参数是影响切削温度的重要因素，其中刀具前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦的大小，因此对工件的切削温度有很大的影响，本文通过设定刀具不同的前角来模拟其切削过程。

图2是有限元仿真过程中切削达到稳定状态时工件、切屑和刀具组成的切削系统的温度分布图。可以看出，整个温度场中的最高温度出现在刀屑接触面的前刀面上约为790摄氏度左右，这与切削理论一致。另外从图中可以看出刀具前角增大时，切屑与己加工表面的温度都呈下降趋势，这是由于刀具前角增大使得刀具变得锋利，切削过程中的切削层金属变形减小，产热减少。由此可见本文利用切削仿真软件DEFORM所建立的仿真模型是正确、可靠的，后续研究可以将利用此模型研究刀具几何参数，通过设置不同的前角、后角和钝圆半径对切削温度与切削力的影响。

4  结论

切削过程具有高度非线性、热力耦合、剧烈摩擦以及刀具磨损等问题，一般的理论研究十分困难。另外针对于钛合金材料的实际切削实验也很难进行。本文提出利用有限元軟件DEFORM对钛合金材料的切削加工过程进行仿真分析，具有一定的可行性，其模拟结果能形象、直观的反映切削过程中各个参数的变化情况。

参考文献：

[1]李超，李宗阳.试论金属切削加工工艺的方法[J].科技创新与应用，2017（01）：157.

[2]高善柱.探讨金属切削加工中控制表面质量的若干方法[J].装备制造技术，2014（04）：225-226.

[3]王文凯，汤文成.有限元法在金属高速切削加工技术中的应用[J].机械设计与制造，2008（06）：195-197.

[4]赵晓强.钛合金材料特性及切削加工方法[J].金属加工（冷加工），2020（05）：15-17.