镍基高温合金斜角切削的仿真研究

孔林雁，吴建民

上海工程技术大学机械与汽车工程学院

1 引言

镍基高温合金是航空航天生产中应用广泛的材料之一[1]，GH4169镍基高温合金是一种沉淀强化高温合金，在高温下强度较高，并且具有较强的热稳定性、抗氧化性以及耐热腐蚀性等优点，广泛应用于航空发动机复杂的热端部件[2]。由于镍基高温合金高强度和高韧性的特点，加工过程中容易出现切削力大以及难排屑等问题，所以研究其加工特性对于航空航天制造业的发展具有非常重要的意义。

很多学者对镍基高温合金的切削性能进行了分析研究。Serafino Caruso等[3]基于有限元思想建立了镍基高温合金正交切削有限元模型，研究分析了加工过程中工件表面微观组织的变化情况，并通过模拟结果和试验结果的比较，改变有限元程序中的算法方程，对数值模型进行校准，得到较为准确的有限元仿真模型。杨辉等[4]使用有限元方法建立三维仿真模型，对镍基高温合金进行切削加工仿真研究，基于单变量切削仿真试验分析了在不同切削参数下切削力和切削温度的变化情况，得到了最适宜该合金切削加工的热力学条件。Parida A.K.等[5]基于Deform软件建立二维直角车削有限元模型，对镍基高温合金进行仿真切削试验，研究分析了不同大小的刀尖圆弧半径对切削力、切削温度、应力以及切屑形态的影响规律，并通过车削试验验证有限元分析的真实准确性。管小燕等[6]采用有限元技术建立二维热-力耦合直角切削模型，对GH4169镍基高温合金进行切削仿真试验，运用绝热剪切理论研究分析了锯齿状切屑的形成机理，同时还分析了不同切削参数下锯齿状切屑的变形规律。王博[7]使用PCBN刀具对GH4169镍基高温合金进行直角自由切削试验，探究切削用量和PCBN负倒棱角度等参数对切削力及表面粗糙度的影响规律，并进行了二维正交仿真车削试验，动态模拟了切削过程微观塑性变形过程。宋永胜[8]使用Deform有限元软件建立二维直角切削镍基高温合金的仿真模型，研究分析了加工参数及后刀面磨损量VB值对切削力和切削温度的影响规律，使用PCBN刀具对镍基高温合金进行精密切削试验，通过切削力的检测结果和仿真结果对比，验证了有限元仿真模型的有效性。

根据上述内容可知，使用三维斜角切削建模对镍基高温合金的研究较少，因此本文就镍基高温合金的切削力大以及难排屑等加工问题，建立三维斜角车削仿真模型，采用斜角切削的加工方式，研究分析了不同加工参数下切屑的形成、流屑角以及三向切削力的变化情况，为切削参数优化和刀具合理选择提供理论依据。

2 建立仿真模型

2.1 建立三维斜角切削模型

在切削加工中，根据车刀切削刃与切削速度方向是否垂直，切削方式可分为正交切削和斜角切削。实际上，采用刃倾角不等于零的刀具进行切削加工也属于斜角切削的加工方式[9]。斜角切削优点为刃口锋利，可以改变切屑流出方向，引起流屑平面的改变，使流屑方向上的刀具角度发生变化。不论刃倾角是正还是负，都可使流屑方向工作前角增大。前角增大可以有效降低主切削力，还可以使切屑容易排出工件，不划伤已加工零件表面，从而提高零件表面加工质量。对于难加工的镍基高温合金，采用该切削加工方式可以解决切削加工过程中存在的排屑困难和切屑力大等问题[10]。

车削变形高温合金时，前角通常选用5°～10°，精加工镍基高温合金的后角一般为10°～12°[11]。本试验设计为精加工变形GH4169高温合金的单变量试验，故可确定刀具的几何结构参数为前角8°，后角10°，刃倾角选取0°，6°，10°，20°。

如图1所示，假设忽略刀具副切削刃的参数，且刀具锋利，其中刀具刃倾角大小由刀具切削刃斜角角度表示，建立刀具模型。如图2所示，将工件模型设计为环状体，使之符合实际加工情况，忽略刀具磨损，将刀具设为刚体，不参与有限元计算，工件网格设为三维八节点热力耦合单元，为了增大仿真精度，对工件切削区域网格进行细化，工件底部固定，刀具以一定的转速绕薄壁环中心旋转，用来模拟工件和刀具的相对运动。

图1 刀具角度设置

图2 工件与刀具装配模型

2.2 确定材料本构模型和失效准则

GH4169镍基高温合金是一种难加工材料，在实际切削加工过程中会出现切削力大和排屑困难等问题[12]。使用有限元技术进行镍基高温合金的切削仿真研究，需要确定合理的材料本构模型以及失效准则，才能准确描述材料的去除过程。J-C本构模型是以经验为主的本构模型，主要应用于大应变、高应变率和高温变形的材料，特别适用模拟高应变率的金属材料[13]。考虑多方面因素，选择J-C本构模型，该模型将影响流动应力的应变硬化效应、应变率效应以及温度效应，具体形式为

(1)

表1为工件和刀具的材料参数，表2为GH4169镍基高温合金的J-C本构方程参数，表3为其损伤参数。

表1 工件和刀具的材料参数 [14]

表2 GH4169的J-C本构方程参数[15]

表3 GH4169的损伤参数

金属切削加工是去除材料的过程，当刀具对材料切削层区域进行切削时，该区域受到挤压会发生弹塑性变形，随着刀具的进一步进给运动，切削层失效断裂成为切屑[16]。在有限元仿真过程中，刀具与工件挤压接触时工件接触节点会发生弹塑性变形，随着刀具的进给，节点处的等效塑性应变逐渐达到所设置的材料等效塑性变形值，此时，ABAQUS求解器会判定该节点处工件材料失效，相应的网格单元发生断裂而被删除，从而实现切屑与工件分离，达到去除材料的效果[17]。

确定J-C损伤演化模型并模拟出切屑与工件分离的效果。该准则以节点处的等效塑性应变值为依据，当失效参数值D=1时，工件材料网格单元失效，参数D的数学表达式[15]为

(2)

(3)

σ*=p/σeq

(4)

(5)

T*=(T-T0)/(Tmelt-T0)

(6)

3 有限元仿真与结果分析

3.1 切屑的形成过程

如图3所示，在切削速度为80m/min，切削深度为0.2mm，进给量为0.25mm/r条件下，模拟镍基高温合金的有限元切削过程，工件的切削变形和切屑形成情况见图3。

图3 切屑的形成过程

根据金属切削原理可知，在金属切削的整个过程中，刀尖处的工件材料可以分为两部分，第一部分是平行于前刀面塑性流动，第二部分是在后刀面的下方塑性流动。在刀尖周围流动的工件材料形成切屑，明显可以看到整个工件切削变形的特点，工件上第一变形区处于起始滑移面和终滑移面之间，也是在整个工件上应力集中的区域。当起始滑移面上的切应力达到工件材料的屈服强度时，金属材料组织中的晶格会在晶面上进行滑移，滑移方向与切应力方向一致，从而使切削层区域的工件材料移动到终滑移面，切削层经过终滑移面后，被刀具挤压、切入直至分离，最终脱离工件成为切屑。从有限元仿真的角度分析，仿真结果中工件划分为多个网格，随着切削过程的进行，位于刀尖处的工件切削层网格区域局部应变过大，达到预先设定的应变值，即满足ABAQUS分析控制器阈值，此时，切削层区域的网格单元发生断裂，随着刀具进给，刀具前刀面处的工件材料在刀具的挤压作用下脱离工件形成切屑。

3.2 斜角切削条件下流屑角的变化规律

研究斜角切削状态下切屑的流向非常重要。在切屑形成的过程中，流屑角的变化规律与切屑对刀具前刀面的摩擦有着密不可分的联系，另外切屑的流向与切屑排出工件的难易程度也有很大联系，并且切屑的流动方向会影响刀具切削中的实际前角，从而影响切削力的大小以及各个切削分力之间的比例，进一步影响刀具耐用度。因此研究切屑的流向并对切屑进行控制有利于改善操作环境，提高生产率和自动化程度，是金属切削理论研究的重要课题之一[18]。对于具有高强度、高韧性特点的镍基高温合金，需控制切屑有利于整个切削过程的顺利进行。切削过程中切削层脱离工件成为切屑时，切屑的两边将会受到不同的约束阻力，切屑一边的切削力需要达到金属材料的屈服强度，切削层才会产生断裂，形成切屑边界；另一边将会受到与切削刃方向平行的作用力，该作用力会迫使切屑沿着刀具的前刀面偏出一定角度而流出，流屑角见图4。

图4 流屑角

影响流屑角的因素较多，因此采用四因素四水平正交试验分析流屑角的变化规律。设计四种刃倾角不同的刀具，刀具前角和后角均为8°，10°，而刃倾角λs分别为0°，6°，10°，20°，根据不同的切削参数设计正交试验表(见表4)。

表4 正交试验的因素和水平

通过有限元切削仿真模型得到试验结果，四因素四水平下流屑角的变化规律见表5。

表5 正交试验的试验结果

对表5正交试验结果进行极差分析计算，分析流屑角的影响因素，得到流屑角极差分析结果(见表6)。显然，第四列(因素D刃倾角)的极差值最大，说明改变刃倾角的水平对流屑角的影响最大，符合以往学者的研究规律。总体来讲，切削速度对流屑角的影响最小，进给量相比切削深度对流屑角的影响较大，镍基高温合金在切削加工过程中一定要控制好切削用量，以保证零件产品的质量要求。

表6 流屑角极差分析结果

3.3 切削力的单因素仿真试验

切削力的大小是工艺系统稳定性的评判指标之一，也是切削加工精度的评判标准之一，该数值过大或者过小都会对整个工艺产生很大影响，所以分析切削力与切削加工参数之间的关系非常必要。设计单变量试验，探究切削力和刃倾角之间的关系以及切削力随着切削速度的变化规律，其中刀具前角为8°，后角为10°，刃倾角λs分别为0°，6°，10°，20°。

根据表7中切削参数进行切削仿真试验，得到仿真结果，绘制切削参数与切削力的关系曲线。图5为不同切削速度和刀具刃倾角对三向切削力的影响规律。

表7 单因素试验切削参数

(a)主切削力变化曲线

图5a中，主切削力随着切削速度的增加而增大，当切削速度大于100m/min时，主切削力增大速率变缓，并且有下降趋势，切削速度一定时，主切削力随着刃倾角的增大而减小；图5b中，径向力随着切削速度的增加先下降再增大，这是由于仿真模型中工件为圆弧形，对于径向力而言，刃倾角对其影响不大；图5c中，切削速度一定时，轴向力在刃倾角为6°和10°时较小，在刃倾角0°～20°之间时轴向力较大。当刀具的刃倾角增加时，刀具的实际加工前角发生变化，所以改变刃倾角大小时，三向切削力会随之改变。

4 结语

(1)采用ABAQUS有限元软件建立了GH4169镍基高温合金斜角切削过程的三维有限元模型，实现了斜角切削加工材料去除过程动态模拟。

(2)通过有限元仿真模型进行四因素四水平的正交试验，得到各个因素在不同水平下对流屑角的影响规律，其中，刃倾角对流屑角影响最大，进给量和切削深度的影响较大，切削速度对流屑角的影响最小。

(3)主切削力随着切削速度的增加而增大，当切削速度大于100m/min时，主切削力增大速率变小，并有下降的趋势；主切削力随着刃倾角的增大而减小，适当改变刃倾角大小可以减小主切削力，有效改善镍基高温合金切削力较大的问题。