面铣刀铣削钛合金时切削参数对切削力影响规律的仿真

闫凯强，黄晓斌，张仕杰，孙宝雨，高乐

1中北大学机械工程学院；2山西省深孔加工技术研究中心

1 引言

作为正在崛起的“第三金属”，钛合金已成为新技术、新设备不可或缺的金属材料，不仅被广泛应用于航天航空、武器装备及船舶制造等高端装备制造和军事领域，而且在医疗器械和汽车制造等民用领域也随处可见[1，2]。钛合金中钛元素极易在高温下与空气中的氧元素等化合，使材料变脆。而且因其导热系数非常小，钛合金在切削困难的同时易产生较高的切削温度，严重影响了刀具寿命。

为了解决钛合金加工困难和加工成本高的问题，国内外众多研究人员进行了大量的研究工作。杨禹等[3]针对降低钛合金切削力的问题，将超声振动引入钛合金的铣削加工中，实现刀具和工件周期性接触分离，降低了切削力，改善了加工质量。杜红春等[4]为优化钛合金机械加工参数，提出了一种基于量子粒子群算法的Kriging(克里金)代理模型，研究了加工参数对切削力的影响。Maurotto A.等[5]在钛合金切削加工过程中，沿刀具进给方向施加超声振动，相对于普通切削，切削力明显降低。Kalipada Maity等[6]采用WM25CT切削刀片对钛合金(Ti-6Al-4V)进行加工，采用不同的切削速度、进刀量和切削深度，分别研究了其对切削力、表面粗糙度、减屑系数和刀侧磨损的影响。

面铣刀也称为端铣刀，主要用于金属大余量平面的高速铣削，在工作过程中铣削力过大和铣削温度过高都会导致刀齿加速磨损，同时影响金属表面加工质量，增加加工成本。本文利用SolidWorks三维建模软件对面铣刀和钛合金进行三维建模，将建好的三维模型导入ABAQUS有限元仿真软件中，在不同背吃刀量、切削速度和进给量下进行钛合金切削仿真。对仿真结果进行分析，得出在不同切削参数条件下，面铣刀铣削钛合金时刀齿所受切削力的影响规律，以此选择最优切削参数来降低切削力。

2 建立有限元模型

2.1 确定材料本构模型及分离失效准则

面铣刀由铣刀盘和刀齿组成，切削的本质是刀齿与工件之间的相互作用，所以切削过程中最易损伤部位是刀齿，刀盘不易损伤。为了使仿真试验与实际切削工作相似，本试验仅保留部分轴向刀盘，以保证四个刀齿固定在刀盘上，并以刀盘轴线为中心线进行旋转铣削工作，将部分刀盘与刀齿设为材料相同的硬质合金，工件选用TC4钛合金。硬质合金刀齿与TC4钛合金工件材料的物理特性见表1。

表1 刀齿和工件物理性能参数

采用金属切削仿真常用的Johnson-Cook本构方程描述钛合金切削运动，其表达式为

(1)

参考文献[8]中TC4钛合金本构模型参数和Johnson-Cook材料损伤参数，分别见表2和表3。

表2 TC4钛合金的本构模型参数

表3 TC4的Johnson-Cook材料损伤参数

2.2 建立面铣刀铣削钛合金三维模型

为降低ABAQUS软件仿真的难度和时间，面铣刀切削模型的尺寸应尽量小，结构尽量简洁。使用四齿面铣刀进行仿真，钛合金工件选用30mm×50mm×10mm尺寸的立方体结构，由于有限元仿真的局限性，在结构参数和属性不变的情况下，需对面铣刀模型进行简化，忽略不影响仿真结果的特征。采用SolidWorks软件建立的面铣刀三维模型和三维切削仿真简化模型见图1。

(a)面铣刀模型

3 有限元仿真分析及结果分析

3.1 制定有限元仿真方案

通过仿真研究不同切削参数对面铣刀铣削钛合金时刀齿切削力的影响，采用单因素实验法进行仿真实验研究，分析不同背吃刀量、铣削速度和进给量时刀齿切削力的变化规律。

采用SolidWorks三维建模软件建立钛合金铣削模型，将建立好的三维模型导入ABAQUS有限元软件中，对铣削模型进行网格划分。刀具采用四面体网格，在四个刀齿处进行网格加密处理，工件采用六面体网格，并对其切削部分(上半部分)进行网格加密处理。设置材料属性进行装配，通过不同的装配实现刀齿不同的背吃刀量，装配后的模型见图1b。

设置分析步后，施加不同的载荷，以实现不同的切削速度和每齿进给量，相应的关系式为

(1)

(2)

式中，vc为面铣刀切削速度；Dcap为面铣刀铣削直径；n为主轴转速，即面铣刀自转的角速度，在ABAQUS有限元软件的载荷中可以直接设置角速度；fz为每齿进给量；zc为面铣刀的有效齿数，本文选用四齿面铣刀，故zc=4；vf为面铣刀进给速度。

完成上述步骤后提交，开始仿真计算，等待仿真结束后，对仿真结果进行分析。

3.2 背吃刀量对切削力的影响分析

在钛合金铣削过程中研究背吃刀量对切削力的影响，令背吃刀量为唯一变量，其它参数不变，进行仿真。仿真参数如表4所示。

表4 背吃刀量为变量的参数

对比分析不同背吃刀量时应力的变化情况，得到如图2所示的Mises平均值应力结果云图。

分析可得，随着背吃刀量的增加，单位刀齿受力降低，但通过计算，刀齿受到的总切削力明显变大。说明在其它铣削条件一定的情况下，随刀齿背吃刀量的增大，所受的切削力也明显变大。

(a)背吃刀量为2.25mm

3.3 铣削速度对切削力的影响分析

在钛合金铣削过程中研究铣削速度对切削力的影响，令铣削速度为唯一变量，其它所有参数相同，进行仿真分析。仿真参数如表5所示。

表5 铣削速度为变量的参数

对比分析不同切削速度时应力的变化情况，得到如图3所示的Mises平均值应力结果云图。

(a)铣削速度为126m/min

分析可得，随着铣削速度的提高，刀齿所受切削力逐渐降低，但是降低得不太显著，这是因为钛合金属于脆性金属，铣削时其塑性变形较小。经对比发现，改变切削速度对刀齿切削力的影响小于改变背吃刀量对其的影响。

3.4 进给量对切削力的影响分析

在钛合金铣削过程中研究进给量对切削力的影响，令进给量为唯一变量，其它所有参数不变，进行仿真分析。仿真参数如表6所示。

表6 进给量为变量的参数

分析对比不同进给量时应力的变化情况，得到如图4所示的Mises平均值应力结果云图。

(a)每齿进给量为0.35mm/z

分析可得，进给量对刀齿切削力的影响与背吃刀量对刀齿切削力的影响性质相同，随着进给量的增大，刀齿受到的切削力逐渐增大。进给量增大时，变形系数减小，所以切削力并非与进给量成正比增加，改变进给量对刀齿切削力的影响小于改变背吃刀量对刀齿切削力的影响。

4 结语

通过单因素变量法的切削仿真实验分析发现，背吃刀量、切削速度和进给量对面铣刀铣削钛合金过程中刀齿所受切削力都存在影响，并得到以下结论。

(1)面铣刀铣削钛合金过程中，改变背吃刀量对刀齿所受切削力的影响程度最大，进给量和切削速度次之。

(2)在中高速铣削钛合金时，随着铣削速度变快，刀齿所受切削力逐渐减小，但影响效果不太显著。

(3)面铣刀刀齿所受切削力随背吃刀量的增加而增大，但改变进给量对切削力的影响小于改变背吃刀量对切削力的影响。

(4)研究发现，面铣刀应在中高速铣削条件下铣削钛合金，使用小背吃刀量和大进给量进行铣削，可以降低切削力并提高刀具寿命。