不同速度下切削钛合金刀具上温度场应力场的数值模拟.pdf

主题 难加Z材料加工技术 T o p ic s Ma c h i n i n g T e c h n o l o g y o f D e 一 p r O c e s s e d M a t e r i a l 不 同速度下切 削钛合金刀具上温度场 应 力场 的数值模拟 王 明海3 王虎 军 刘 中海 沈阳航 空航天大学 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 3 6 哈 尔滨工 业 大学 黑龙 江 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 摘要 简单介绍了一下有限元计算软件的建模过程 并对在不同切削速度下 硬质合金刀具切削钛合金的 过程进 行 了模 拟 得 到 了切削 过程 中刀 具上 应 力场和 温度 场 的分布 状况 通 过对模 拟 结果 的分 析 与 研 究 得到 了刀具最 易 出现 的磨 损 区域 并 通 过与 试 验 结 果 相对 照 证 明 了有 限元 模 拟方 法 的 可 行 性 其模拟 结果 可 以为试 验提 供一 定 的指导 关键词 有限元法应力温度刀具磨损 中图分 类号 T G5 0 1 T G7 1 2 文 献标 识码 A Nu me r i c a l Simu l a t i o n O ff S t r e s s a n d T e mp e r a t u r e F i e l d o f t h e Tj t a n i u m To o l u n d e r Di f f e r e n t Cu t t in g Sp e e d WA N G Min g h a i WA N G H u j u n m L I U Z h o n g h a i S h e n y a n g A e r o s p a c e U n iv e r s it y S h e n y a n g 1 1 0 1 3 6 C HN H a r b in I n s t it u t e o f T e c h n o lo g y H a r b in 1 5 0 0 9 0 C HN Ab s t r a c t Th is p a p e r s imp ly in t r o du c e s t h e pr o c e s s o f t h e f in it e e le me n t s o f t wa r e mo d e lin g By u s in g t h is s o f t wa r e t h e p r o c e s s o f c e me n t e d c a r b id e t o o ls c ut t ing t it a ni u m u n de r d i f f e r e n t s pe e d is s imu la t e d And t he pa r a m e t e r s o f c u t t in g f o r c e a n d t h e t e mpe r a t u r e fi e ld s t r e s s fi e ld o n t h e t o o ls e c t a r e a c hi e v e d T h r o u g h s t u d y i n g o n t h e s imu la t io n r e s u lt s r e g io n s o f t o o l whi c h a r e lik e ly t o be wo r n a r e o b t a in e d Fr o m c o mpa r in g t h e r e s u lt s o f t h e s t i mu la t io n it p r o v e s t h a t t h e me t h o d o f fi n it e e le me n t s imu la t io n i s f e a s i b le a n d p r o v i d e s s o me g ui da n c e f o r t h e t e s t s b y t h e s imu la t io n r e s u lt s Ke y wor ds F EM S t r e s s Te mp e r a t u r e To o l W e a r 钛及钛合金具有密度小 强度高 热强度好 耐腐 蚀性好 耐高温等一系列优点 被广泛应用于航空航天 等领域 例如 国外先进发动机上的钛用量通常保持在 2 0 3 5 的水平 但是钛合金又是一种典型的难 加 工材 料 因 为 钛 合 金 具 有 导 热 系 数 小 化 学 活 动 性 高 摩擦系数大 塑性 低等缺点 在切削加工 的过程 中 不仅易于与切削刀具发生化学反应 使得刀具磨损 严重 造成切削温度升高 单位切削力变大 而且加工 表面易生成硬脆变质层等缺点 刀具磨损不仅影响加 工表 面质量 缩短刀具 的寿命 而且还增加 了加 工成 本 对 于 刀具磨 损 的研 究 大部 分 是基 于 经验 或 试 验 的方法 但是这两种方法只能对刀具 的磨损结 果进行分析 对刀具的磨损过程不能完全的体现 随 茎 一 j I J 十 着科学技术 的发展 可 以通过有 限元方法将工件材料 的属性表示成温度 应变和应变率的函数 还可以全面 考虑各种切削加工参数之问的相互影响 利用有限元 技术对切削加工过程进行物理仿真 可以通过综合考 虑刀具的几何角度 切削用量及材料性能等 因素的影 响 得到切削区中的应力场 应变场 温度场 切削力等 参数而且还可以适 时地修改相关 参数 方便高效地得 出切削的结果 通过对不同速度下切削过程中刀具应 力 场温 度场 分布 的研究 来 确定 刀具磨 损 原因 1 有 限元计算模型 的建 立 1 1 切 削模 型 的建 立 以及边 界条 件 的限制 金属 的切 削过 程 是 一个 非 稳 态 的 流 动过 程 是 一 个非常复杂的非线性过程 在建模 的时候需要做以下 I 主题 磋加工材料加工技术 r i c s 丽 c h 而 面而 酉 几 点假设 1 由于材料本身存在缺陷 将被加 f 材料定 义 为各向同性材料 2 在模拟切削的过程中 将 忽略由于温度变化 引起 的被加工 材料 的金 卡 日 组织 及其他 的化学 变化 3 在热传导方面 忽略热辐射作用 只考虑材料 和刀具之间的粘着 摩擦 和滑动 摩擦昕产生的热 量 4 在本课题中所建 的模型远远大于切削过程 中的切削用量 而且切削宽度远大于 削深度 同时切 削过程中出现的大应力 大应变只 局部 域出现 可 以认为工件处于平面应力状态 在本文的模型中 刀具的运动办向为 在切削方向 上的单 向运动 为了比较准确地模拟切削过程 规定 刀具为弹性体 忽略刀具的塑性变形和刀具在加工过 程中的磨损 如图 1 所示 1上 件固定小动 刀具在工件 表面以一定速度做 向左的切削运动 本课题选用的网 格类型为适合做温度应 力分 析的 C P E 4 R T 同时运用 自适应网格技术 防止在切削过 巾出现网格畸变 图 1 切 削模 型及工件的边界条件 1 2 材料模型的建立以及失效准则的确定 对材料复杂的本构行为的准确表述 是运用有限 元精确模拟切屑形成 切削力大小 应 力分布 温度分 布以及残余应力分布必不可少的基本信息 在实际的 切削加工过程中 被切削的工件材料是从弹性变形到 塑性变形 工件上被切削的材料处于高温 大应变的 条件下 最后被撕裂并脱离 己加工表面而形成切屑 整个切削过程是个非常复杂的非线性 问题 因此我们 要把各种因素对被加工材料硬化应力的影响也都考虑 进去 J o h n s o n C o o k塑性模型 是 Mis e s 塑性模型的 一 种特殊形式可用于热力耦合分析 中 是硬化法则及 应变率相关的解析形式 其使用于多种材料包括金属 的高应变率的情况 特别是在绝热瞬时动态仿真中应 用 的更加广泛 4 B C ln I一 T 1 丁 0 T T o 式中 r 为 O 1 1 M is e s 流动应力 非零屈服应力下的屈 服应力 B C n r n 为材料参数 通过 S H P B试验 获得 为等效塑性应 变 为无量纲应变率 其中 为等效塑性应变率 T 为无量纲温度 为材料的熔点和室温 为当前的温度 在失效模型中 我们规定路径上距刀尖前缘最近 点的等效 塑性应变达到临界值时 单元节点分离 所以水文 中用到 T J o h n s o n c o o k破坏准则 此准 则把温度 应变率 庸变和压力考虑进去 模拟所需要 的参数 与试验相结合 接近现实 可靠 单元破坏 的定 义为 当材料失效 参数 超过 1 时 则假定为材料失效 该单元格将被从网格中删除 一 等 3 一 或 式中 孑为等效塑性应变增量 为失效应变 它与 尤餐纲应变率 压应变一 偏应力比P q 及无量 纲温度 有关 即 一 d d 2 e x p d 3 1 d 4 I n 1 d 5 T 4 其中 d d d d d 为失效参数 通过拉伸试验获得 刍 为参考应变率 在切削过程中 达到切削失效准则时 偏应力分量 被置为零 并且在随后分析 中一直为零 当我们在切 削参数中选中删除单元格后 则对工件 的压应力就一 同被保持为零 所以 J o h n s o n c o o k 剪切失效模型适用 于金属的高应变率变形 可以被应用于动态仿真数值 模拟 2 模拟 的结果与试验对比 本文被测材料模 型参数参考 于文献 7 刀具 材 料为硬质合金 本文所用的有限元软件为商业有限元 软件 A b a q u s 本课题的试验采用的数控机床型号 为 C A K 6 1 5 0 试件为直径 9 0 m m的钛合金圆棒 刀具材料为整体硬 质合金 测力系统主要 由测力仪 电荷放大器 数据采 集卡 测试软件等组成 2 1 刀具切 削时温度 的分布 状况 切削温度是切削过程 中的一个重要参数 切削温 1 1 1 u 度影响着刀具磨损 刀具寿命 也影响着工件表面完整 性及加工质量 因此在很大程度上影响着生产效率 图2 不 同逦厦 温厦分布 云 图 从 图 2可 以看 出 1 切削温度随着切削速度的提高而升 高 切削 速度为 6 6 6 6 m rai n时 分布在刀尖处的最高温度为 4 3 2 7 q C 而当切削速度达到 2 2 0 m ra in时 刀尖处 的 最高温度为 9 8 5 8 2 刀具的最高温度出现在切削刃处及刀尖 处 这是 因为在二维切削模 拟的情况下 由于在第一变形 区内的金属材料出现了很 大的塑性应变 产生大量的 切削热 以热传递和传导 的方式传给刀具和切屑 由 于切屑和刀具接触的长度 比较短 使热量集 中在切削 刃 口处 从而在刃 口处 出现 了非常高的切削温度 也 有可能是在有限元模拟过程 中 材料本构模型和边界 条件的设置不同而引起的 3 切削温度 的分 布以刀尖 为圆心呈扇形 离扇 形中心越远 温度越低 但 随着切削速度 的提高 最高 温度出现的范围不断地减小 这是 因为随着切削速度 的提高 切屑和 刀具 的接触 时间变短 接 触的面积 变 小 由于钛合金 的导热 系数 比较小 刀具的导热系数 大于钛合金 刀尖与工件的相互作用产生 的热量 大部 分都传递给了刀尖 而刀尖处 热容量小 受 力状况恶 劣 致使切削刃处出现 了温度高 面积小的情形 图 3为在不同速度下 温度分布与沿路径的关系 从 图中可以看出温度无论沿着前刀面还是后刀面都是 呈下降的趋势 这与刀具 的导热系数有关系 在速度 相同的情况下温度沿前 后刀面的分 布也不相同 但 是在不同的速度下 温度 的变化情况 不同 例如沿前 刀面 切削温度的变化范围随着切削速度的提高而增 毋 20 11 主题 难加 Z材料 T o p i c s Ma c h in i n g T e c h n o l o g y o f D f 1 i c u It 一 o c e s s e d Ma t e r ia 大 速度越高温度变化的斜率越 大 当切削速度为 2 2 0 n r m in时 温度 的变化 幅值为 5 0 而 切削 速度 为 6 6 6 6 m ra in时 温度的变化幅值仅为 6 尤其是 从 刀 尖到距 离 刀尖 约 0 0 5 i n n 间 是 温 度变 化 率 最大 的区域 说明速度越高 对刀具的耐热性考验越大 刀 具 的磨损可能越严重 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 沿前刀面距刀尖 的距离 mm a 沿后刀面距刀尖的距离 mr n b 图3 沿不同路径温度分布曲线 5 由于在有限元分析过程 中我们设置 的物理参数 边界条件以及网格类型 大小等因素的不同 模拟出来 的结果存在较大的差异尤其是温度方面与文献 8 有 较大的差别 因此采用有 限元模拟手段我们不能定量 地分析切削过程中的刀具温度的分布 但从定性的角 度对有限元模拟结果进行分析 仍有较高的可信度 2 2 刀具 切 削时应 力 的分布 状 况 通过模拟计算 获得 了不同切削速度下切削钛合 金过程中的刀具 瞬态应力分布情况如图 4所示 切削 应力也和温度一样 应力值随着切削速度 的提高而增 大 但是 和切削温度分布不 同 应力分布集 中点并没 有 出现在 刀尖 处 而 出现 在 离 刀 尖一 定 距 离 的 前 刀 面 或后 刀 面处 如 图 4所示 从 图 5 a可 以看 出 应 力从 刀尖处 沿着 前 刀面 向上 先是呈减小 的趋势 然后突然增大 到最后趋 于稳定 0 赠 I 主题 硅柚Z材料幻Z技术 值 从图中可以看出 距刀尖约 0 O 1 6 0 0 2 4 I I I I T I 之 间 应力在所有的速度模拟下都出现 了急剧的增大 都 出现了应力的极值点 尤其是速度 为 2 2 0 m ra in时 应力最大值为 9 2 5 1 M P a 应力在前刀面的分布的变 化曲率比较明显而且变化幅度都 比较 大 速度越高变 化的幅度也越大 而在图5 b中 应力值沿后刀面的变 化趋势与前刀面有所不同 在 尖至离刀尖 0 0 3 1 T I H I a 6 6 6 6 m min b 8 0 m rain 图4 不同速度下应力分布云图 山 暑 沿后刀面距刀尖的距离 mm b 圈5 措 不同路径应力分布 曲线 之间 应力值随着离刀尖距离的增大而增大 但在离刀 尖距离再增大时应力值出现减小的趋势 这是因为在 离刀尖约 0 0 3 l 1 1 1内后 刀面和 已形 成表面之间相互 摩擦所造成的 在此距离以外 由于刀具后角关系 和已 形成表面 已没有摩擦 总的来说 后刀面和前刀面的 变化趋势是相同的 但没有前刀面的变化幅值大 而且 相同速度下沿后刀面的应力变化曲率要比前刀面小 应力集 中点出现在前刀面处是因为 切屑和刀具 的相 作用 引起的 切眉与刀具的前刀面相互作用的时 候 切屑会以极高的速度从切削点流出 与刀具前刀面 发生剧烈 的摩擦导致接触区温度 以及应力的急剧升 高 便造成 了应力集中点 随着切削速度的提高 切屑 和刀具前刀面相互作用的作用力 工件材料的变形 崩 碎型切屑对前刀面的冲击都增大 刀具前刀面在交变 载荷力作用下 使刀具发生应力点破坏 可能造成刀具 磨 损 在后 刀面 出现 最 大 应力 点 的原 因是 在 切削过 程中刀具后刀面和已加工表面不断地摩擦 使两接触 面之间产生的热量不断地增加 温度不断地升高 应力 也随之增大 在这种情况下可能造成后刀面磨损 2 3刀具磨 损试验 对照 图 6为硬质合金 刀具 6 6 6 6 m rai n 切削钛 合金后的刀具磨损图 从图中可以看见刀具的磨损形 式为 在 前7 J 面以月牙湾磨损为主 在后刀面以沟槽磨 损为主 在切削刃上则 出现了刃 口崩裂的现象 图6 刀具屠 损S EM图像 经测量月牙湾 中心位置离切削刃的距离大约为 0 0 2 5 i T l m 与前面所模拟的应力集中点在前刀面上离 刀尖的距离基本相同 在后刀面上 可 以清晰地看到 在工件已加工面与后刀面相接触 的地方 刀具 已经磨 损并出现了一条明显的磨损带 这是后刀面与 已加工 表面相互摩擦所造成的 切削刃也 出现了崩裂 这主 要是因为在切削刃的前 后刀面上 压应力和剪应力很 大 但是 在与丁件 表 面层 接 触 的切 削 刃上 的应 力 突 然 等簪 l l 减小 这样 就形 成 了很大 的应 力梯 度 引起 了很 大 的剪 应力 在外界压力的作用下形成切削刃的崩裂 3 结 语 通过对硬质合金刀具在不 同速度下切削钛合金过 程的模拟 得出了刀具在切削过程 中应力 温度的分布 状况 对其进行分析和研究 得到了以下 的结论 1 切削温度和应力都 随着切削速度的提高而增 大 而且他们滑刀具前 后 刀面 的分布是一样 的 离 刀 尖的距离越大 其值越小 2 温度 的最大值 出现在切 削刃 口处 而应力集 中区域主要分布在前后刀面上距刀尖大约 0 0 2 5 IT l m 的地方 这是 由于不同的摩擦机理所造成的 3 对模 拟 结 果 进 行 r试 验 验 证 得 到 了刀 具 磨 损形式以及磨损的区域 通过 与模拟切削的结果进行 对 比 在应力集中的区域很容易出现刀具磨损情况 在 温度较高区域易形成切削刃的软化 证明有限元模拟 方法的可行性 其模拟结果可 以为试验提供一定 的指 导 可以为刀具参数优化提供参考 参 考文 献 f 1 曹春晓 航空用钛合会的发展概况f J 航牵科学技术 2 0 0 5 4 主题 难加Z材料加工技术 T o p ic s Ma c h i n i n g T e c h n o l o g y o f Di f f i c u lt p r o c e s s e d Ma t e r i a l 2 A t t a n a s i o A C e r e t t i E R i z z u t i S 3 D f i n i t e e le me n t a n a l y s is o f t o o l w e a r i n m a c h i n i n g J j C I R P A n n a ls Ma n u f a c t u r i n g r e c h n o l o g y 2 0 0 8 5 7 61 6 4 3 J i w a n g Y a n K a t s u o S y o j i J u n ic h i I a m a k i s 1 I I l c o h s e r v a t io n s o n t h e we a r o f d ia mo n d t o o ls in u lt r a p r e c is io n c u t t in g o f s in g le c r y s t a l s ilic o n J We a r 2 0 0 3 2 5 5 1 3 8 0 1 3 8 7 4 赵清亮 陈 明君 梁迎春 等单品金刚石车刀在超 精密单点切削 中 的磨损分析 J 摩擦学学报 2 0 0 2 2 2 5 3 2 1 3 2 7 5 赵 腾伦 AB AQ U S在机械工程中的应用 M 北京 中国水利水 电出 版祉 2 0 0 7 6 7 6 8 6 J o h n s o n G R C o o k W H F r a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h r e e m e t a l s s u b j e c t e d t o v a r i o u s s t r a i n s s t r a i n s r a t e s t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e J E n g in e e r in g F r a c t u r e M e c h a n ic s 1 9 8 5 2 1 1 3 1 4 8 7 乇小翠 张心运 郭宝亿 钛合金正交切削过程数值模拟 J 西安工 业大学学报 2 0 0 7 2 7 4 3 3 4 3 3 6 8 李一 民 韩满林 赵威 硬质合金 具高速切削 T i 6 A14 V合金时扩散 磨损的数值模拟 J 工具技术 2 0 0 8 4 2 7 2 2 2 5 第一作 者 王 明海 男 1 9 7 1年 生 副教 授 硕 士 生 导师 研究方向为 精密超精密加 工技术 已发表论文 1 0余篇 编辑周 富 荣 收稿日 期 2 0 1 0 0 7 2 1 文章编号 1 1 0 1 1 3 如果您想发表对本文的看法 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置 上接 第 3 8页 平均寿命 比 高平均寿命对 低平均 寿命 之 比 1 2 4 5 6 经查表 可以确定这一平均寿命 比的置信度超过 9 5 因而可以至少 以 9 5 的置信度 断定 S M 3 5 N铣 刀片抗冲击性能比 Y T 5 铣刀片好 经过同样的比较过程 可以确定抗 冲击性能最好 的为 S P K R 1 5 0 4 E D T R ME 1 4铣刀片 其余 由好到差依 次为 Y B G 2 1 2铣刀片 S P K N 1 5 0 4 E D T R MD 1 7铣刀片 S M3 5 N铣刀片 Y W2铣刀片 Y 1 1 5铣刀片 4 结语 1 采用正交试验设计法 进行 了几种不 同槽 型 铣刀片加工高强度钢试验 通过试验揭示不同铣 刀片 冲击破损失效形式上 的差异 从试验及破损形貌 图j 二 看 S P K R 1 5 0 4 E D T R ME 1 4铣刀 片抗 冲击破损性 能较 好 2 在冲击破损试验 的基础上 建立 了几种槽 型 铣刀片冲击破损寿命 累积分布函数