对流换热对TC4合金切屑断裂的影响机制研究*

周 丹，曾富洪，贾舒媛

(攀枝花学院智能制造学院，攀枝花 617000)

0 引言

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强、高温和低温力学性能优异等突出特点，被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医疗等领域。然而，钛合金存在热导率低、弹性模量小等特性，导致钛合金构件在加工过程中存在刀具磨损严重、加工硬化现象明显等问题，极大地限制了钛合金在各个领域中的应用[1]。因此，实现钛合金的高质高效加工是制造业亟待突破的共性技术难题。

高速切削加工技术具有加工效率高、加工精度和表面质量好等优点，是解决钛合金加工难题的一种有效手段[2]。YANG等[3]开展了TC4合金的高速铣削试验，结果发现当切削速度达到300 m/min时加工表面粗糙度最好。WANG等[4]基于正交铣削试验，发现高切削速度会促进TC4合金表面发生相变，并产生纳米孪晶，改善加工表面的显微硬度。REN等[5]开展了钛合金TC11的高速铣削试验，试验结果表明高切削速度会抑制表面残余应力。WANG等[6]基于自主搭建的正交铣削装置，研究了切削速度对TC4合金切屑形态的影响规律，试验发现随着切削速度的提高，切屑形态会由带状形态转变为锯齿状和崩碎状形态。LIU等[7]通过高速铣削试验验证了这一现象，并发现切屑绝热剪切带内的晶粒结构发生了改变，最终促进了切屑的断裂。上述学者通过大量试验验证了高速加工在钛合金高质高效加工方面具有显著优势。然而，试验法具有成本高、周期长、受环境因素影响较大等弊端。因此，研究人员常采用仿真模拟等辅助方法对切削加工机理进行研究。

在切削加工过程中，被加工材料所处的应力状态、切削区域温度、形变应变率等参数皆无法通过试验的方式获得。而这些参数是研究切削机理必不可少的因素，因此，合理地利用仿真模拟开展加工机理研究是一种有效的方法。王兵[8]研究了切削速度和J-C本构参数对切削力和切削温度的影响规律，并分析了切屑锯齿的敏感度。试验结果表明，随着切削速度增大，切削力减小，切屑逐渐演变为崩碎状。OZKUTUK等[9]基于切削仿真，研究了材料参数对Ti-5553合金切屑形态和切屑力的影响规律，并利用试验进行了验证。杜茂华等[10]基于TC4合金的二维切削模型，研究了断裂能对切削力和切削温度影响规律，结果表明，随着断裂能降低，切削力和切削温度降低。刘东等[11]研究了断裂准则对TC4合金切屑形态的影响规律，并基于切屑锯齿化参数得到了最佳的断裂准则。研究人员基于加工仿真开展了大量研究，但是关于对流换热对切削过程影响的研究相对较少。随着高速切削加工技术的不断发展，先进冷却工艺也逐渐应用到难加工材料的高速加工中。因此，开展对流换热对切削影响机制的研究具有重要意义。

本文以难加工材料TC4合金为研究对象，基于高速正交铣削试验，结合二维切削仿真，研究了干切削与乳化液切削对TC4合金切削加工过程中切屑形态的影响规律，并对切削温度、应变率等进行了分析。

1 切削仿真模型的建立

平行侧面剪切区模型被广泛应用于切削加工领域[10-11]，该模型如图1所示。在高速加工过程中，被加工材料的第一变形区受刀具推挤作用，发生塑性变形产生塑性功并产生高温。高温引发材料热软化效应，当热软化效应高于材料本身的应变硬化效应时，被去除的材料发生热塑失稳，材料抵抗变形的能力下降，容易在已变形的剪切面上进一步发生剪切变形，最终发生绝热剪切，形成锯齿状切屑[12]。而对于锯齿状切屑，一般用切屑的锯齿化程度表示，其表达式如式(1)所示。

图1 锯齿形切屑变形模型

(1)

式中，H为齿顶高；h为齿根高。

1.1 本构模型及材料参数

为保证切削仿真的准确性，本次仿真选用Johnson-Cook本构模型，该模型可以精准描述材料变形过程中应力与应变、应变率和温度等因素之间的关系[13]，其具体表达式为：

(2)

表1 TC4合金材料参数

续表

1.2 切屑分离准则

在金属切削仿真模拟中，分离准则的选择至关重要。本次仿真选择与塑性应变相关的状态变量w作为计算依据，在每个分析增量步结束后对w累加计算，当w超过1时，材料开始失效，其表达式如式(3)所示。

(3)

式中，Δε为等效塑性应变增量；εf为发生断裂时的应变值。εf的表达式如式(4)所示。

(4)

表2 TC4合金损伤模型参数

1.3 刀具参数

将刀具前角设置为4°，与试验参数一致，忽略刀尖半径，刀具参数如表3所示。

表3 涂层硬质合金刀具物理参数

1.4 二维模型建立

图2 二维仿真建模

基于有限元仿真软件ABAQUS/Explicit，通过热位移耦合模块建立了二维切削模型。为获得更准确的切屑形态，将工件材料从上往下依次设置为材料去除层、材料分离层和材料基体。设置完成后，在工件底部和左边设置固定约束以保持工件稳定。仿真过程中，通过在材料表层和刀具表面施加对流换热边界条件，以模拟空气冷却(对流换热系数约为10)和切削液冷却(对流换热系数分别取5000、10 000、15 000)。设置好的模型如图2所示。

2 高速正交切削试验

铣削加工是钛合金最常见的加工方法之一，因此本次试验采用正交铣削的方式，获得不同条件下的切屑形态。正交铣削装置采用Buda法[14]搭建，如图3所示。为保证切屑厚度近似为一固定常数，选用直径为160 mm的盘铣刀进行试验(涂层硬质合金刀片，前角4°，后角7°)。本次试验将切削速度控制在40～200 m/min，进给量控制在0.1 mm/r。将试验后收集的切屑进行冷镶嵌和打磨，放在超景深显微镜下进行观察，并依据式(1)计算切屑的锯齿化程度。

(a) 试验现场 (b) 试验原理图

3 结果分析

3.1 试验结果分析

切屑形成机制与切削力、切削热及表面完整性都有密切的联系，切屑形态的分析是切削加工机理的研究基础。切屑形态与切削参数、冷却条件和材料物理性能等有密切关系。将试验获得的切屑进行处理后，其结果如图4所示。

(a) 干切削切屑形态 (b) 乳化液切削切屑形态

(c) 切屑锯齿化程度

可以发现，在相同的冷却条件下，随着切削速度的增大，切屑的锯齿化程度随之增大，这是因为随着应变率增大，切削温度急剧上升且来不及散出，材料在第一变形区的热软化效应逐渐高于应变硬化效应，材料发生热塑性失稳，产生了绝热剪切，导致了锯齿状切屑的形成。而在相同的切削参数下，乳化液冷却促进了切屑的锯齿化程度。由此可以判断，对流换热条件与切屑锯齿化程度存在密切联系。

3.2 仿真结果分析

由式(2)可知，材料的动态力学性能主要受应变率和温度的影响，因此研究切屑形态的变化必须对切削温度和应变率进行分析。利用二维仿真对切削过程中的温度场和应变率场进行分析，以揭示对流换热条件对材料去除的影响。

(1)应变率场分析。应变率是影响材料流动应力的主要因素之一，依据图5所示获取应变率参量并求取平均值，其结果如图6所示。

图5 切削应变率取样位置 图6 不同条件下的应变率值

由图6可知，在相同切削速度下，剪切带所处的应变率基本一致，对流换热并不能引起应变率的变化。而在相同对流换热条件下，随着切削速度的提高，剪切带内的平均应变率不断增大，应变率主要受切削速度的影响。锯齿程度随切削速度增大而增大，这是因为材料形变时间变短，切削产生的热量不能及时散出，材料更容易发生绝热剪切热塑失稳，导致切屑的锯齿化程度增大。

(2)温度场分析。温度是影响材料流动应力的另一个因素，切削温度主要受切削参数和冷却条件的影响。本次仿真对比了相同切削速度，不同对流换热条件下的4组切削仿真，仿真如图7所示。

(a) 对流换热系数10 (b) 对流换热系数5000

(c) 对流换热系数10 000 (d) 对流换热系数15 000

如图所示，对流换热系数的变化对温度有明显的影响，相比于干切削条件，3组乳化液冷却条件下的切削温度都明显降低。而在乳化液冷却条件下，随着对流换热系数增大，切削温度也随之降低。其中温度变化最为明显的是刀屑接触区、切屑自由表面和刀尖3处。为进一步分析切屑的形成，提取了剪切带内的温度，结果如图8所示。

如图所示，随着对流换热系数的增大，剪切带内的温度降低，同时也能发现锯齿度随对流换热系数增大而增大。依据文献[15]可知，绝热剪切是主导切屑断裂的主要因素，剪切带半宽见式(5)。

(5)

同时，基于仿真获得了刀具前刀面的最高温度值，其结果如图9所示。

图8 不同条件下第一变形区内温度分布(vc=200 m/min) 图9 刀具前刀面最高温度值(vc=200 m/min)

由图可知，对流换热能力越强，刀具前刀面温度越低。而温度是造成刀具磨损的主要原因，因此采用强冷却可以降低刀具热磨损，提高刀具寿命。

对流换热系数对切削温度影响较为明显，一方面，可以降低刀具温度，提高刀具寿命；另一方面，可降低剪切带内的温度，诱发绝热剪切局部化断裂，促进切屑断裂。

4 结论

通过TC4合金的高速正交铣削试验和切削仿真，研究了对流换热系数对切削过程的影响，得出以下结论：

(1)高切削速度会促进TC4合金发生绝热剪切热塑失稳，提高切屑锯齿化程度，改善断屑。

(2)强对流换热可有效降低剪切带内的温度，促进剪切带发生局部化断裂，改善断屑。

(3)对流换热系数大的冷却液可以有效降低切削温度，提高刀具寿命。