钛合金TC4三维高速铣削的铣削力和温度特性

王学惠

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

钛合金TC4三维高速铣削的铣削力和温度特性

王学惠

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

为探究高速铣削中铣削力和铣削温度的分布规律，采用有限元仿真和铣削实验相结合的方法，对整体硬质合金立铣刀高速铣削钛合金TC4进行相关研究。采用有限元分析软件Advantedge Fem，基于J-C本构模型，建立高速铣削钛合金TC4的三维铣削模型，模拟铣削加工过程，获得铣削力和铣削温度的分布情况。通过铣削实验获得了相同铣削条件下的铣削力数据。结果表明：高速铣削钛合金TC4铣削力的模拟值与实验值具有较好的一致性；切屑的温度高于工件和刀具的温度，高速铣削过程中，切屑带走了大部分热量，与高速铣削过程中切屑带走大部分热量的情况相吻合。该研究可以为钛合金合理选择加工参数提供依据。

高速铣削；铣削力；铣削温度；有限元分析；三维铣削模型

0 引 言

钛合金作为一种高强度比的金属，是广泛应用于航空航天零件的材料。钛合金属于典型的难加工材料，造成其切削加工性差的主要原因是钛合金的导热性差和化学亲和力大[1-2]。高速铣削技术以较高的速度，在大多数材料的铣削加工中，获得了较小的铣削力和较好的表面质量。钛合金在高速铣削加工的条件下，铣削力和温度等性能也是目前研究的热点问题之一。由于实际加工过程中的铣削温度、应力、应变等的测量较难，依靠加工实验获得数据的方式，需要耗费大量的人力和物力。铣削加工的仿真，能够在实际加工之前，提供一定的铣削参数等数据，并且能够揭示实验很难获得的物理、力学等现象。钛合金的铣削仿真多数集中在二维模拟加工上，二维模型简化了很多因素，与实际加工的差距较大。笔者采用美国第三波公司的Advantedge Fem有限元分析软件，建立钛合金高速铣削的三维铣削有限元模型，获得铣削加工中的铣削力、铣削温度等。并将仿真模拟加工的数据，应用到具体的实验中，进行对比，以验证仿真结果与实际加工结果的一致性。

1 有限元分析模型

1.1 三维有限元铣削模型的建立

为了进行钛合金TC4三维铣削过程仿真，首先建立刀具、工件的有限元分析模型。在高速铣削的条件下，铣削过程中材料的应变大、应变率高，由于材料的这种变形，会导致单元网格的严重畸变，影响后续分析的仿真精度。采用Advantedge 软件的网格自适应技术，该软件会根据网格情况，不断进行重新网格划分，提高运算精度，满足仿真要求[3-4]。

实验中，采用的刀具为整体硬质合金立铣刀，刀具牌号为YG8，密度：14.5～14.9 g/cm2，抗弯强度不低于1 500 N/cm2，硬度不低于89HRA，适于钛、铬、镍不锈钢等合金材料的高速铣削。具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。刀具直径为φ10 mm，刀具长度为60 mm，刀具切削部分长度为30 mm，刀具后角为15°，刀具前角12°30′，螺旋角34°30′。

工件材料为钛合金TC4，组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。比强度为23.5，较大。钛合金热导率(7.955 W/m·K)低，不利于加工。

根据现有条件和实验要求，选定铣削实验的加工参数为：主轴转速2 800 r/min，铣削深度1 mm，铣削宽度 2 mm，进给量 300 mm/min。

根据以上刀具、工件参数，建立刀具和工件的有限元分析模型。选取工件的微元尺寸为：长4 mm，宽3 mm，高1.5 mm，工件的底部在x、y和z方向是固定的。铣削方式为顺铣，工件和刀具之间的相对运动是由刀具以给定速度，沿着水平方向的运动实现的。工件的网格参数设定如下：网格细分系数为1，网格粗化系数为5，切削细分系数为1，切削基体最小单元为0.026 4，刀具基体最小单元为0.020 2，刀具边缘精准区域半径为0.1 mm。图1是实验刀具和工件的三维铣削有限元模型。

图1 三维有限元铣削模型Fig.1 3D finite element analysis milling model

1.2 工件材料的本构模型

高速铣削TC4的过程中，易产生比较大的变形，较高的温度，目前，应用比较多的是采用Johnson-Cook模型描述工件材料的本构关系[5-7]，关系式为

式中：σ——流动应力，MPa；

ε——应变；

θ——工件温度，℃；

θr——参考温度，25 ℃；

θm——熔点温度；

A——屈服强度，A=982MPa；

B——硬化模量，B=643.467MPa；

C——应变率敏感系数，C=0.015；

m——热软化系数，m=1.223；

n——硬化系数，n=0.227MPa。

2 有限元模拟结果

2.1 铣削温度

图2为根据刀具、工件和加工参数，在Advantedge中得到的铣削温度模拟结果。从温度分布图上可以看出，温度最高值主要分布在切屑上，说明在高速铣削过程中，切屑带走了大部分的热量，工件的温度值次高，最低的是刀具的温度值。具体来说，刀具的最高温度约为100 ℃，工件的最高温度约为200 ℃，切屑的最高温度为409.796 ℃左右。这与高速铣削过程中切屑带走大部分热量的情况相吻合。

图2 铣削温度模拟结果Fig.2 Milling temperature simulation results

2.2 铣削力分布

高速铣削TC4的模拟仿真铣削力分布如图3所示，其中图3a是未使用滤波功能的铣削力分布图，图3b是使用软件滤波功能后的力的分布。

a 未滤波

b 滤波后

从图3a可以看出，在铣削的初始阶段铣削力的波动较大，经过一段时间后，铣削力的变化趋于平稳。波动较大的主要原因是，刀具、工件以及机床等组成的系统在切削的开始阶段还没有达到一个稳定的状态，另外，根据切屑形成的绝热剪切理论，需要达到一定的温度以后，切屑从工件上断裂，而切削的初始阶段，温度较低，要使切屑形成需要的铣削力较大。同时，铣刀参与铣削是多刃参与切削，刀齿有一个切入切出工件的过程，铣削力先增大后减小，呈周期性变化，与铣削是断续切削的过程相符合[8]。

从图3b可以看出，随着铣削的进行，剩余的，未被切掉的切屑厚度的减少，导致Fx、Fz方向上的铣削分力，在分界线处(Fx=Fz)的分布比例发生了变化，毛刺形成过程中，Fz>Fx，切屑形成过程中，Fz

3 铣削实验与结果分析

3.1 实验设备

所用加工设备为汉川立式加工中心型号为XH716E，测力仪型号为kistler9257b，所用刀具材料为YG8。实验材料为钛合金TC4(Ti6Al4V) ，现场实验设备、刀具、工件及测力仪等，如图4所示。

图4 实验系统Fig.4 Experimental system

3.2 实验与仿真的铣削力对比

为了验证模拟仿真结果的一致性，铣削实验所用参数与模拟仿真实验所用参数相同，在Kistler测力仪软件Dynoware中获得铣削力的实测铣削力分布曲线，如图5所示。由于切入和切出时铣削力波动较大，所以图5中截取了比较平稳的时间段，由于刀齿切入切出及切削厚度的变化，三个方向的铣削力呈周期性波动。将铣削力实测值的峰值与仿真模拟的铣削力峰值列于表1中。从表1可以看出，相对误差均在10%以上，最大达12.03%，但都在模拟误差允许的范围内。存在误差的主要原因是由于在仿真过程中忽略了很多的加工因素，如机床的参数，铣削的现场情况等。

图5 实验所测铣削力数值Fig.5 Experimental milling force value

表1 模拟与实验的铣削力的对比Table 1 Milling force contrast table between simulation and experiment value

4 结 论

(1)通过软件模拟高速铣削TC4的温度分布情况，切屑上的温度要高于工件和刀具上的温度，与高速铣削过程中，切屑带走大部分热量的情况较为一致。

(2)模拟获得的三向铣削力的值先增大，后减小，这与铣削是断续铣削的过程相符合。

(3)通过铣削力实验，对软件模拟仿真的结果进行验证，结果表明两者具有一定的一致性，可以采用该方法进行其他加工参数的有限元分析。

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(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Simulation and experimental research on three dimensional high speed milling process of titanium alloy TC4

WangXuehui

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper arises from the need for exploring the distribution rules behind the milling force and milling temperature in high speed milling.The research consists of examining the high-speed milling of titanium alloy TC4 with the integral cemented carbide end mill using the combination of the finite element simulation and milling experiment; establishing the three-dimensional milling model of titanium alloy TC4 in high speed milling; identifying the distribution law governing cutting force and cutting temperature,using the finite element analysis software Advantedge Fem and drawing on the J-C constitutive model on which to simulating the milling process; and providing the milling force data with the same milling condition using the milling experiments.The results show that a better agreement occurs between the milling force values and the experimental value of the simulation in high speed milling of titanium alloy TC4; the cutting temperature is higher than the temperature of the workpiece and tool and the high speed milling is a process in which the chip takes away most of the heat,which is consistent with the fact that the chip carries away most of the heat in high speed milling process.This study may provide a basis for the reasonable selection of milling parameters on titanium alloy.

high speed milling; milling force; milling temperature; finite element analysis; three-dimensional milling model

2017-01-20

黑龙江省自然科学基金项目(E201328)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541691)

王学惠(1974-)，女，黑龙江省友谊人，副教授，硕士，研究方向：高速铣削加工仿真及检测，E-mail:xuehui1024@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.015

TG54

2095-7262(2017)02-0168-04

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