基于ABAQUS高速切削Ti-6A1-4V切削状态的有限元仿真

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金属材料 在高 速切 削时-般 会 产生 锯齿形 切屑。在低速度切削条件下 ，锯齿形切屑 常见于导热系数较低的难加工材料，如钛合金 、镍基合金、高强度钢 等。在高速切削加工中，钛合金 Ti-6A1-4V必然会发生绝热剪切，并产生锯齿形切屑进而影响切削加工，主要体现在锯齿形切屑导致切削力导频周期波动 ，加剧刀具 的磨损 以及被加 工表面质量的降低 。因此，研究锯齿形切屑形成过程中切削力以及切屑形态随切削参数和刀具前角的变化规律具有十分重要的意义。

目前 ，对于高速切 削锯齿形切屑形 成 的研究 主要集中于理论计算和有限元模拟两个方面。本文基于 Abaqus/Explicit建立了钛合金正交切削有限元模型，并运用建立的有限元模型对锯齿形切屑形成过程中切削力和切屑形态进行仿真分析。

1 Ti-6AI-4V二维切削有限元建模1.1 几何模型采用 YG8刀具切削钛合金 Ti.6Al4V的二维正交切削模型如图 1所示，其中刀具前角为 8。，后角为l0。，刀具被定义为刚体，限制其 y方向的自由度，在参考点处施加向左方向的速度。工件尺寸为 5mm×1.2mm，工件为稳定性较好的简化积分四节点温度位移耦合减缩单元，工件侧边和底边被约束，且工件和刀具 的边界温度为室温。

1.2 材料本构模型切削加工中塑性变形区的流动应力的大小与应变、应变率、切削区的温度以及材料的微观特性有收稿13期：2012-08-30基金项目：国家重大科技专项(2012ZX04003-061)作者简介：冯吉路(1988-)，男，天津人 ，沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，主要研究方向为高速切削技术，(E-mail)fengjilu123###· 48· 组合机床与 自动化加工技术 第 2期关。在对 比诸多热黏塑本构方程后，由于 Johnson-Cook模型能够较好地反映加工过程中的热软化效应和加工硬化效应以及应变率强化效应，本研究选用该模型作为材料的本构关系模型，具体可表示为：( Cln寺).[1-(等 )](1)式中：A，B，rt，C，m是由材料 自身决定的常数；Tm为材料的熔点；Tr为室温； 为参考应变速率。等号右边第-部分表示应变8对流动应力Or的影响，第二部分表示应变速率 对流动应力 or的影响，而最后-部分表示温度 对流动应力 的影响。仿真中各参数如表 1所示 。

表 1 JOHNSON.COOK模型中各参数 A(Mpa) B(Mpa) C m875 793 0.O1 0.386 0.7l图 1 正交切 削有 限元模型1.3 材料断裂准则高速切削 Ti.6A1-4V时锯齿形切屑形成采用断裂准则是非常有必要的，断裂准则完全撒于材料特性 。Johnson.Cook提出了的材料断裂准则考虑了应变、应变率、温度以及应力。其优点是该准则可以在拉伸和扭转实验 中确定 ，每个单元 的断裂值可 以由下公式确定。

D ： (2)否式中：△ 为积分步长中等效应变的增量，否 为当前条件下失效应变。当D 1时，材料发生失效并且删除相关单元 。失效应变 由下式可得 ：(DlD2expDstr 1D41n瓢 ( ) (3)失效应变 撒于变量 or 、否 T。无纲量应力比 ： / ，or 为三个主应力的平均值， 为等效应力。本文采用文献 中 Ti.6A1-4V的损伤参数 D1、D2、D3、D4、D5分别为 -0.09、0.25、-0.5、0.0014、3.87。

2 有限元模拟仿真结果2.1 主要参数对切削力的影响切削力是反映高速切削加工过程最为重要的物理指标，是影响刀具寿命、刀具磨损和加工表面质量的主要因素。正交切削仿真中，水平切削力是计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率的依据，垂直切削力直接影响工件 的加工精度和切削过程中产生的振动。因此 ，研究正交切削过程中的水平切削力和垂直切削力具有重要的意义 。

仿真结果如图 2所示 ，当切削速度达到某-临界值时，切削速度对水平切削力和垂直切削力的影响并不大，这与Salomon 提出的高速切削有关切削力的假说是-致的。由图3和图4所示，切削深度增加时，水平切削力在增大而垂直切削力变化不大，增加刀具前角时 ，水平切削力和垂直切削力均减校切削力的波动 ，将会导致工艺系统振动 ，使以加工表面形成振纹，表面粗糙度值增大，并且波动会对刀具产生冲击，加剧刀具的磨损。由图5、图6和图7所示，切削力是-个增大 -减小 -增大 -减斜的周期过程，这是因为在锯齿状切屑形成过程中，当第-变形区开始产生集中滑移变形时，其承载能力下降导致几何失稳，切削力绝对值逐渐减小，随后由于刀具继续前进对切削层材料产生挤压，切削力绝对值又逐渐增大。仿真结果显示，当刀具前角逐渐变大时，切削力反映的振动频 率稍有变化 而振动 幅度在 明显减小 ，切削力趋于平稳。

- Z- 裹- Z- 聂恩露图 2 切 削速度对 平均切 削力的影响切削深度 (0m)图 3 切削深度对平均切削力的影响综上所述，在加工钛合金 Ti.6A1-4V时，应适当的增大刀具前角同时减小切削深度，这样既可以减喧床的功率消耗，又可以提高加工工件的表面质量。

2013年2月 冯吉路，等：基于 ABAQUS高速切削Ti-6AIV切削状态的有限元仿真 ·49·- Z- 襄忌日- Z - 聂恩- Z - 收襄尽图 4 刀具前角对平均切 削力的影响时间 (s)切 削条件 ： 00。；V 140m/min；a 200m图 5 锯齿形切屑形成 时的切 削力波动0.0000 0.(Xx1 0.0002 0.0o03 0.0004 0.05 0.0006 0.0007时间 (s)切削条件：，08。；V140m/min； 200m图 6 锯齿形切屑 形成时的切削力波动40035030o三25020o1501o5OO- 50时间 (s)切削条件：Yo16。；V140m/min；n 200m图 7 锯齿形切屑 形成时的切削力波动2.2 切屑几何形态目前 ，带状 切屑变形程度 主要采用 变形 系数表示 ，由于锯齿形切屑 的形成机理 和带状切 屑有 着较大的差异 ，故不能用变形 系数评估锯齿形切 屑变形程度。通常我们可 以用锯齿化程度表示切 屑变 形程度 ，锯齿化程度值越大，锯齿化越严重 ，其表达式 ：G (4)如图8所示，日为锯齿齿顶高度， 为锯齿齿根高度。此外，评估切屑变形程度的另-个重要参数是齿距 。仿真结果如图9、图l0和图11所示，平均齿距和锯齿化程度随切削速度的增加而增大。当切削深度≥0.2mm时 ，平均齿距随切削深度增加而增大，当切削深度 ≤ 0.2mm时 ，平均齿距随切削深度的增大而减小，锯齿化程度随切削深度的增加而增加 。

，：§鬈嚣0O0O嚣0、0000O切削条件： o8。；V180m/min； 2O m图 8 锯 齿形切屑形成时的等效应变切削速度fm/min)图 9 切 削速度对锯齿化程度和齿距的影响0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 026 0.28 0-3O 0.32切削深度(mm)图 1O 切削深度对锯齿化程度和齿距的影响(下转第53页)2013年2月 杨彩芳，等：龙门加工中心立柱性能分析与拓扑优化设计 ·53·优化方案在经济度允许的情况下，较好的提高了结构的静、动态性能。

表 2 立柱优化前 后结果比较原结构 优化结构 比较重量/g 15808145.1 1 15899149.89 O.58%最大变形/e-5mm 5.3l11 4.6498 12.45%1阶 87.274 95.987 9.98%共振 2阶 96. 993 lO3.9O1 7.12%频率3阶 104.79 lO9.8O 4.78% ，HZ4阶 121.74 l24.68 3.24%5 结束语使用拓扑优化分析进行大型结构的优化设计，能较精确地找出结构件的最优结构形式 。找到最优结构形式后，可以结合工艺及其生产的具体情况，获得较为优良的设计结果。同时，进行工程问题有限元分析的软件 ANSYS软件，具有速度快、简单和后处理丰富等优点。采用的静态分析和能量分析能很好的找到立柱 的薄弱环节 。优化后立柱 的动、静态特性都得到了较大的改进，但考虑到实际生产制造的成本以及加工工艺难易程度，立柱的结构依然有待进-步的改进及完善。