涂層硬質(zhì)合金立銑刀切削TC4仿真研究
作者：天乙數(shù)控機(jī)床時(shí)間：2021-03-101637次瀏覽
信息摘要：
TC4是典型的-鈦合金，具有力學(xué)性能好、比強(qiáng)度高、高溫低溫性能優(yōu)良、抗腐蝕性能優(yōu)異等突出特點(diǎn)，已在航空航天、汽車、船舶制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是從切削加工性
TC4是典型的α-β鈦合金，具有力學(xué)性能好、比強(qiáng)度高、高溫低溫性能優(yōu)良、抗腐蝕性能優(yōu)異等突出特點(diǎn)，已在航空航天、汽車、船舶制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是從切削加工性能看，TC4低的熱傳導(dǎo)率、高的切削溫度使得刀具磨損加快、刀具壽命縮短、加工效率降低。研究表明加工時(shí)加入切削液可提高刀具使用壽命[1]，但是使用切削液會(huì)增加加工成本，加重環(huán)境污染[2]，因此常采用干切削加工方式。選擇合理的刀具涂層材料及涂層厚度可有效克服干切削中刀- 屑接觸面摩擦和切削溫度增加的缺點(diǎn)，是提高鈦合金加工效率的有效途徑。
刀具涂層工藝主要采用PVD或CVD2種技術(shù)。常用的涂層材料包括TiN、TiCN、TiAlN及Al2O3。很多學(xué)者通過(guò)切削試驗(yàn)或有限元仿真研究了涂層對(duì)刀具切削性能的影響。張士軍[3]采用解析方法揭示了涂層材料及涂層厚度對(duì)刀具切削溫度的影響規(guī)律，計(jì)算結(jié)果表明涂層材料的熱傳導(dǎo)率越小、涂層厚度越大，涂層刀具的切削溫度就越低。T.Ozel等[4]采用切削試驗(yàn)及三維有限元仿真方法研究了未涂層、TiAlN涂層及TiAlN/CBN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)TC4加工時(shí)的切削力、切削溫度及刀具磨損的影響，研究發(fā)現(xiàn)TiAlN涂層刀具的切削性能最佳。M.Nouari等[2]采用切削試驗(yàn)方法研究了未涂層和多層涂層（TiC、TiN及TiCN交替涂層，9層共10μm厚）硬質(zhì)合金刀具干切削鈦合金時(shí)的刀具壽命和加工表面質(zhì)量，得到了刀具使用壽命最長(zhǎng)時(shí)的切削速度范圍，同時(shí)使用有限元分析法模擬了2種刀具加工鈦合金時(shí)的切削溫度分布云圖。Irfan等[5]采用未涂層及不同涂層材料（TiCN+Al2O3+TiN 和Al2O3）刀具切削加工時(shí)的切削力、切削溫度，結(jié)果顯示Al2O3涂層刀具的切削溫度最低。
本文首先利用有限元分析軟件AdvantEdge建立立銑刀三維銑削模型，然后將銑削TC4試驗(yàn)得到的切削力與有限元模擬結(jié)果對(duì)比以驗(yàn)證三維銑削模型的正確性，最后通過(guò)有限元分析硬質(zhì)合金立銑刀的涂層厚度（1μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm）及涂層材料對(duì)刀具切削溫度、切削及單位切削能的影響規(guī)律。涂層材料分為5種：未涂層、TiAlN（4μm）、Al2O3（4μm）、Al2O3/TiN（2μm/2μm）、TiAlN/Al2O3/TiN（2μm/1μm/1μm）,編號(hào)依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
立銑刀三維銑削有限元模型及試驗(yàn)驗(yàn)證
1 TC4材料本構(gòu)模型
有限元分析中，在高應(yīng)變率條件下輸入精確的材料流動(dòng)應(yīng)力模型是描述工件材料本構(gòu)行為的有效方法[6]。工件材料的流動(dòng)應(yīng)力通常定義為應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的函數(shù)。AdvantEdge軟件中本構(gòu)方程的冪指數(shù)材料模型如式（1）所示：
σεp,·ε,T= g (εp)·Γ·ε·Θ(T)，（1）σ式中，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是σ塑性應(yīng)·Θ變(T，)εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是應(yīng)變·硬Θ(Tσ化函數(shù)；εp,·ε，T=g (εp)·Γ·εσ是·Θ應(yīng)(變T)率，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是·Θ應(yīng)(T變)率σ敏感系數(shù)；T是溫度，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε·Θ(T)是熱軟化系數(shù)，本文仿真時(shí)采用AdvantEdge軟件材料庫(kù)中有關(guān)TC4的本構(gòu)方程系數(shù)。
工件材料TC4鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。工件材料TC4鈦合金的物理性質(zhì)包括：彈性模量E=114GPa，熱傳導(dǎo)率λ=7.05~16.24W/m·℃， 比熱容Cp =2.27~3.81N/mm2·℃，泊松比υ=0.34，密度ρ=4428kg/m3，熱擴(kuò)散系數(shù)α=9.6×10-6/℃ [4,6]。
試驗(yàn)采用刀具涂覆TiAlN涂層，且厚度為5μm，TiAlN的熱傳導(dǎo)率如表2所示，彈性模量E=380GPa，微硬度為3300HV。
2 立銑刀三維銑削有限元模型
使用有限元分析軟件AdvantEdge模擬分析立銑刀三維銑削鈦合金TC4的加工過(guò)程。邊界條件定義為刀具繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使用拉格朗日方法進(jìn)行計(jì)算。采用網(wǎng)格重劃分、自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及網(wǎng)格收斂技術(shù)以獲得最優(yōu)的網(wǎng)格（圖1）。刀具及工件的網(wǎng)格類型均為4節(jié)點(diǎn)12自由度的四面體單元。工件的最大及最小單元尺寸分別為2mm、0.15mm，刀具的最大及最小單元尺寸分別為1mm、0.1mm。
3 銑削試驗(yàn)驗(yàn)證
有限元軟件的分析精度很大程度上依賴于所建立的三維模型及使用的材料本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和精確性。本文通過(guò)將試驗(yàn)所得切削力與仿真分析所得切削力對(duì)比以驗(yàn)證所建立的三維模型及材料本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和精確性，即有限元仿真分析的有效性。銑削試驗(yàn)采用DAEWOOACE-V500立式加工中心，最高轉(zhuǎn)速為10000r/min，功率為15kW；使用Kistler-9275A測(cè)力儀測(cè)量銑削過(guò)程切削力；使用的刀具為整體硬質(zhì)立銑刀，刀具參數(shù)及切削參數(shù)見表3、表4。
仿真中刀具幾何參數(shù)如表3所示，設(shè)置刀具繞Z軸旋轉(zhuǎn)720°，模擬切削時(shí)間0.06s，試驗(yàn)與模擬得到的X、Y、Z方向切削力對(duì)比如圖2所示。圖中各項(xiàng)目的切削條件如下：
Ⅰ：v=60m/min , fz=0.1mm/Z ,ae=2mm，ap=3mm；
Ⅱ：v=60m/min, fz=0.15mm/Z,ae=3mm, ap=5mm;
Ⅲ：v=90m/mi n，fz=0.05mm/Z,ae=3mm，ap=5mm;
Ⅳ：v=90m/min, fz=0.15mm/Z,ae=2mm，ap=1mm。
