高温合金GH4169铣削加工的有限元模拟与铣削力试验分析＊

刘建强，赵慧凯，冯仑仑，李 锋

（西安航空学院 航空工程系，西安710077）

高温合金按基体类型可分为镍基、铁基和钴基高温合金，其中镍基高温合金应用最为广泛．高温合金GH4169是一种高硬度、高强度、耐腐蚀、耐高温的镍基合金材料，等同于美国材料牌号Inconel 718［1］．GH4169在600～1 000℃以上仍然具有良好的热稳定性和断裂韧性、较高的抗氧化和抗腐蚀性，能承受较大的应力，所以广泛应用于航空航天发动机、火箭、导弹的设计制造中．但是，在机械加工中，镍和铬元素使切屑不易断裂，刀具散热不畅，所以高温合金GH4169是一种典型的难加工材料，其切削力大、切削温度高、加工硬化现象严重、刀具磨损剧烈、加工精度和表面质量不易保证，研究其加工性能，为加工工艺的改进和加工效率的提高提供可靠依据成为非常迫切的要求．

文献［2-3］对采用硬质合金刀具铣削Inconel 718时的切削力和表面粗糙度进行了研究，发现在11～25m·min-1的切削速度范围内，切削力都呈下降趋势，且都随着进给量和切削深度的增加而增大．文献［4］研究了采用球头铣刀高速铣削Inconel 718，得到了铣削参数、刀具涂层、刀具与工件的夹角等对铣削力、切屑形式、铣削温度的影响规律．文献［5］设计了铣削力测量试验，研究了切削用量、冷却措施等因素对高温合金GH4169铣削力的影响，通过铣削试验分析，得到了切削参数与铣削力的变化曲线，提供了合理的切削参数．文献［6］通过正交试验，对硬质合金刀具铣削K24镍基高温合金的铣削力、刀具磨损和表面加工质量等进行了研究，得到了铣削力的经验公式．鉴于采用软件Deform 3D对高温合金GH4169铣削力进行有限元仿真的相关研究并不多见，文中以有限元软件Deform 3D为平台，对高温合金GH4169的切削过程进行动态仿真，通过改变单因素铣削参数，研究GH4169铣削过程中，铣削速度、每齿进给量、铣削深度和铣削宽度对铣削力的影响规律，以期保证加工精度和表面质量．

1 有限元模型的建立

Deform 3D是一套基于有限元的工艺仿真系统，它将建模、成型分析、传热分析和设备特性集成在一个环境内，适用于金属热、冷、温成形工艺和热处理工艺等的仿真［7-9］．本文采用Deform 3D建立铣削过程有限元模型，Deform 3D处理的对象是三维实体，需要由计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）系统以3D模型文件格式（Stereo Lithograthy，STL）导入，具体过程如下．

1．1 工件材料物理性能

GH4169是典型的镍基高温合金，其物理性能见表1．

1．2 几何模型的建立

文中采用SANDVIK公司Coromill 300铣刀，如图1所示．为了便于研究铣削参数对铣削力的影响，文中将刀具简化为单刀片模型，将立铣过程近似为正交切削过程，将铣刀与工件的断续接触简化为铣刀以最大铣削力与工件持续接触．使用软件Solidworks构造刀具和工件三维模型，进入Deform 3D的“Machining［Cutting］”模块，导入预先构造的铣削模型．

在Deform 3D软件中，常用到的网格有八节点六面体单元和四面体常应变单元，后者具有简单、边界适应性强等特点［10］，因此本文采用四面体单元划分网格．工件材料为Inconel 718，采用绝对网格划分方式，最小网格尺寸为0．1mm，比率为4；刀具材料为 WC类硬质合金，采用普通网格划分方式，网格数量为8 000，局部细化刀尖网格，比率为0．1．划分好单元格的几何模型如图2所示．

表1 GH4169的物理性能Tab．1 Physical and chemical properties of GH4169

图1 试验刀具Fig．1 Test tool

图2 划分网格后的铣削几何模型图Fig．2 Milling geometry model after meshing

1．3 材料模型的建立

弹性模量E和泊松比是工件材料处于弹性变形阶段的特征参数．进入塑性变形阶段后，材料特性的变化依据流动应力模型进行分析．本文采用国际上广为引用的Johnson-Cook流动应力模型，形式简单，适应于描述大变形率下金属的应力应变关系，其表达式为

式中：σ为工件材料的流动应力；ε为工件材料的塑性应变；A、B、n、C、m表示由材料自身决定的系数，依次为屈服应力强度、应变强化常数、应变强化指数、应变率强化参数及温度应变率灵敏度；T为变形温度；Tm为材料的熔点；Tr为室温；ε0为参考应变速率．

2 铣削仿真与分析

2．1 仿真初始条件设置

本文仿真初始条件设置在Deform 3D前处理器中完成，各参数见表2．

2．2 铣削参数正交实验设计

采用适当的正交实验设计方法安排铣削实验，是解决铣削问题的有效工具之一，可以大大减少实验次数并找到最佳铣削参数．选取铣削力作为仿真实验指标，选取铣削速度vc、每齿进给量fz、轴向铣削深度ap、径向铣削宽度ae作为实验的4个因素，选取3水平来安排正交实验，见表3．

2．3 铣削过程仿真

按照表3安排的因素水平，选用L9（34）正交表进行仿真实验，见表4．

表2 仿真初始条件设置Tab．2 The simulation initial condition settings

表3 因素水平表Tab．3 Factor levels table

表4 铣削力仿真实验表及结果Tab．4 Milling forces simulation test table and the results

立铣过程中，铣刀与工件表面断续接触，铣削力发生周期性变化．在一个周期内，单齿瞬时铣削力先由零逐步增大，至最大后又逐步减小为零．为了便于研究铣削参数对铣削力的影响，本文将铣刀与工件的断续接触简化为铣刀以最大铣削力与工件持续接触．由于x、y、z方向的铣削力Fx、Fy、Fz中，Fz小于Fx和Fy，且Fz容易受刀具和机床等因素影响而出现无规律变化，故本文只对Fx和Fy进行了研究．铣削仿真过程如图3～4所示．

图3 铣削过程仿真Fig．3 The simulation of milling process

图4中Fx为X向铣削力，Fy为Y向铣削力．Step为进给位移．由图4可知，随着刀具逐渐切入工件，材料的塑性变形不断增大，切削力也不断增大；当刀刃附近金属剪应力超过其强度极限时，材料就被剥离，切削力突然减小．在切削中此过程不断重复，因而切削力会产生振荡．

为了更好的反应切削力真实大小，本文用Deform 3D软件数据导出功能计算出每次切削力平均值作为该组实验的铣削力，见表4．

图4 vc＝30m·min-1、fz＝0．08mm、ap＝0．8mm、ae＝1mm时铣削力曲线Fig．4 The simulation curve of milling force when vc＝30m·min-1，fz＝0．08mm，ap＝0．8mm and ae＝1mm

3 铣削试验与分析

按照表4安排的4因素3水平方案进行试验，共9组．

3．1 试验条件

1）工件为GH4169高温合金，长方体，几何尺寸为100mm×40mm×30mm．

2）刀具选用SANDVIK公司Coromill 300铣刀，刀体直径∅52mm，4刃．刀片选用SANDVIK Coromill 300TiAlN涂层硬质合金铣刀片，镶2片，如图1所示．

3）设备采用宝鸡机床厂VMC650三坐标立式数控铣床，最大转速6 000r·min-1，功率7 kW，如图5所示．

铣削力测量系统由Kistler9255B测力仪、Kistler5019B电荷放大器以及DEWE3010数据采集处理系统组成．

4）冷却方式采用乳化液冷却．

图5 试验机床Fig．5 Test lathe

3．2 铣削力仿真值与试验值对比分析

表5为铣削力仿真结果与试验结果对比表．从表5可以看出，仿真数据与试验结果误差基本在16%以内．由于金属铣削加工是一个复杂的过程，除了铣削速度、铣削深度、铣削宽度、每齿进给量以外，影响铣削力的因素还有很多，如工件的物理机械性能、铣削面积、材料热处理状态、刀具磨损、切削液等，再考虑到数据读取误差会导致个别差值较大，就整体分布情况而言，仿真值和试验值比较吻合，说明利用仿真方法进行铣削力预测比较可靠．

表5 仿真值与试验值对比表Tab．5 The comparison table of the simulated values and the measured values

4 铣削参数对铣削力的影响分析

为更好地反应各个铣削参数对铣削力影响的趋势，本文采用单因素实验方法，将每组仿真实验里三个铣削参数固定，随着第四个铣削参数的不同，得到不同的铣削力．具体设定见表6．

图6所示为由单因素仿真得到的不同铣削参数对应的铣削力曲线．从图6中可以看出，对高温合金GH4169端铣的x、y向铣削力影响最大的均是铣削深度，其次是进给量和铣削宽度，影响最小的是铣削速度，并且随着铣削速度的提高，铣削力呈下降趋势．

图6 不同铣削参数对应的铣削力曲线Fig．6 Milling force curve corresponding to different milling parameters

表6 单因素仿真实验安排表Tab．6 Single factor simulation test schedule

5 结 论

针对高温合金GH4169端铣过程，利用Deform 3D有限元软件进行仿真，并结合铣削试验，研究铣削参数对铣削力的影响规律．在文中的仿真条件下，得到的主要结论为

1）端铣高温合金GH4169时仿真值与试验值基本吻合，为其他材料的铣削仿真提供了新的建模方法．

2）通过单因素仿真实验，得到了不同铣削参数对铣削力的影响规律，即在切削用量三要素中，对铣削力影响最大的是铣削深度，其次是进给量和铣削宽度，影响最小的是铣削速度，且随着铣削速度的提高，铣削力呈下降趋势．

3）为了提高铣削效率，铣削高温合金GH4169时，应选择较高的铣削速度、较小的铣削深度和进给量．

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