基于DEFORM的钛合金Ti6Al4V高速铣削力的研究

魏永峭，杨 栋，罗 岚，周 波，侯 力

(1.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050；2.四川大学，四川 成都 610065)

钛合金材料以比热强度高、耐高温、抗腐蚀性好等特性被广泛应用于航空、航天、化工和特种汽车零部件等领域，然而钛合金导热系数低、弹性模量小易回弹、易切削温度高、冷硬现象严重，并在切削过程中产生振动等特点使其成为典型的难加工材料，其中大的切削力是切削过程突出特点之一[1-2]。文献[3-4]通过有限元数值模拟，对Ti6Al4V合金的高速切削进行了仿真与分析。文献[5]针对不同的切削用量对高速切削钛合金Ti6Al4V的切削力进行了分析。S.B.Yang等对置氢条件下车削钛合金的切屑形成过程及切削力的变化情况进行了研究[6]。然而以上分析都对模型进行了相应的简化与理想化。但由于切削力是描述材料加工性、颤振、刀具磨损、表面质量等相关加工信息的十分重要的物理变量。切削力直接反映加工材料的可加工性，理化特性以及加工变质层、刀具耐用度等特性。

因此，正确有效的钛合金高速切削有限元模型以及有效的钛合金J-C本构模型是正确模拟切削过程中的切削力变化情况的基础，本文基于有限元仿真软件DEFORM建立了更加真实的高速铣削三维有限元模型模拟钛合金Ti6Al4V的铣削过程，并为切削力的变化提供预测，其误差要符合工程实际要求。

1 钛合金高速切削有限元模型的建立

1.1 钛合金Ti6Al4V的本构模型

Johnson-Cook 本构模型广泛应用于材料流变应力分析中，特别是针对流变应力受温度及应变率影响较大的材料，而Ti6Al4V的组织类型为马氏体型态，并且Johnson-Cook本构模型恰能反映了材料流动应力受应变，应变率及温度的影响，因此选Johnson-Cook模型为本构模型，由式(1)给出[8]：

(1)

式中A代表材料的屈服应力，B、n为材料的应变强化参数，C为经验性应变率敏感系数，m为热软化系数，ε为等效塑性应变，T为工件温度，Tr为材料的熔化温度，Tm为室温。

很多学者通过不同的特征参数对钛合金切削Johnson-Cook 本构模型进行了研究，如表1所示[9-10]：

表1 已发表的J-C本构模型特征参数

1.2 材料失效切屑分离准则

Johnson-Cook 准则目前适合于高速切削有限元仿真，该准则是基于单元积分点的等效塑性应变，其综合考虑了应力、应变率、温度的影响，当材料的时效参数大于1时，则材料发生失效。失效参数的定义如下[11-12]：

(2)

(3)

1.3 材料模型的建立

1.3.1 工件材料参数

工件选用的钛合金为Ti-6Al-4V，其密度为4440kg/m3，硬度为HRC 36，膨胀系数为9.1X10-6/℃，熔化温度为1635-1650℃，杨氏模量为113.8GPa，泊松比为0.342，抗拉强度为1450 MPa，屈服强度为970 MPa。由于Ti-6Al-4V 是热敏感材料，在切削过程中高温对材料的性能将产生很大影响，尤其是杨氏模量，热导率，比热容这三个参数。

1.3.2 刀具材料参数

本文中采用硬质合金刀具CNMA432，其主要成分是WC和Co，被广泛应用于钛合金高速切削加工过程中，其性能及组成成分与我国YG8硬质合金刀具接近，其弹性模量为64GPa，泊松比为0.2，膨胀系数为4.5X10-6/℃，比热容为220 J/(Kg·℃)，热导率为75.4 W/(m·K)。

1.4 有限元模型建立

在加工过程中切削力是重要物理变化量现象之一，其直接决定切削热的产生并影响刀具磨损、使用寿命及加工精度等。本文基于Deform仿真平台建立了高速切削钛合金Ti-6Al-4V有限元模型，其有限元模型如图1所示。在三维模型中，本文使用MCLNL夹持器，CNMA432无涂层硬质合金刀片，刀具前后均为5°，刀片前端角80°，为了较好实现刀具与切屑之间的热传递，刀具一共划分155023个有限元单元，四面体网格，最小网格边长为0.01mm，刀具材料作刚性设置。工件材料共划分136630个有限元单元，最小网格边长0.03mm。

图1 三维有限元切削仿真模型 图2 切削力波动示意图

在建立的钛合金高速切削有限元模型的基础上，将表1中所有现有的J-C模型特征参数分别带入建立的有限元模型进行仿真，其中切深量为0.1mm，进给量为0.254mm/rev，切削速度分别取1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，一共进行切削仿真32次。切削实验数据来自Ali.M.H[13]等学者的实验，切削参数、刀具型号与机械刀夹型号均与文章中所建立的有限元模型中的参数一致。在高速切削有限元模型中，切削力达到稳态之后依然会有波动，如图2所示。本论文所提取的仿真切削力是在多次试验剔除畸点之后的平均值。

从图可以看出仿真模拟过程分为初始阶段和稳定阶段。在切削初始阶段切削力迅速增大到某一较大值，到进入到稳态阶段之后其值的大小在局部范围内进行较小的变化，并会出现一定的波动，主要是因为：(1)由于当刀具刚开始对工件进行切削时，刀具与工件的接触部分单元网格受到刀具前刀面挤压而产生变形，随着变形程度的不断增加，使得主切削力也随着变形的抗力增大而相应的增加，并到达一个较大值；(2)在开始切削的瞬间由于加工过程会伴随有网格不断重划分的过程，使得加工过程出现不连续性及失效的单元网格数目和其位置均存在很大的不确定性，因此产生了切削力数值的上下波动；(3)当其中的某些单元网格变形达到材料所设定的变形极限时会出现单元网格失效，从而使得切削力也相应的减小；(4)在切削进入到稳态阶段后，切削力在微观和宏观上均呈现出有规律性的上下波动，只是因为切削到达平稳阶段之后，工件会出现有规律性的单元网格失效，而此时在各个瞬间失效的单元网格数目及其位置均为固定的，从而主切削力的大小便稳定在了一个数值。

2 钛合金高速切削有限元仿真结果及实验对比

为了更好地观察速度对不同J-C特征参数下切削力的影响，评价现有传统J-C模型的准确度，本论文分别给出各组本构模型仿真切削力与实验数据的比较，如图3所示。从图3中可以看出，以误差15%作为标准，在切削速度为1.0m/s时，本构模型2、3、5、8符合标准；在切削速度1.5m/s时，本构模型4、5、6符合标准；在切削速度2.0m/s时，本构模型5、6符合；切削速度2.5m/s时，本构模型2、5、6、8符合标准。同时，我们应该观察到本构模型2在切削速度为1.0m/s和2.5m/s时能够以低于5%的误差模拟切削力，然而在其他两个参考速度下误差较大，同样的情况也发生于本构模型6和本构模型8。

图3 本构模型仿真切削力与实验数据比较

本构模型1、5、7、8能够很好地模拟出钛合金高速切削时在研究速度范围内，切削力随切削速度的增加而下降的趋势，特别是本构模型5，在本文研究速范围内能够控制切削力仿真误差在13%之内。

3 结论

本文通过研究钛合金Ti-6A1-4V高速切削过程中8组传统的Johnson-Cook本构模型在不同速度下的切削力变化情况，可看出传统Johnson-Cook本构模型特征参数的选择对仿真结果非常敏感，即使是同一个J-C本构模型，它对切削速度的适应性也有非常大的差距。随着切削速度的增加，应变强化部分对切削力的影响变弱，而低速时切削力受应变强化效应影响较大；因此，在选择J-C本构模型进行切削力，切削参数，切削温度以及刀具磨损等研究时，一定要注意不同J-C本构模型对当前研究工况的适应性。