基于有限元模拟的钛合金TC4车削仿真研究
2018-12-25王磊唐山市特种设备监督检验所
王磊 唐山市特种设备监督检验所
干式切削技术是为适应可持续制造战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。1995年，干式切削的科学意义被正式确立。1997年，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授在国际生产工程研究会(CIRP)年会上做了“干切削”的主题报告，进一步确立了干式切削在金属切削加工领域的重要地位。相比于传统润滑加工，干式切削技术能够降低设备消耗，减少加工工序，缩短装卸时间，并且由于干式切削清洁无污染，符合环境保护要求，各国开始争相加大对干式切削研究工作的投入力度。硬态干式切削是把淬硬钢等高硬度（>45HRC）零件的切削作为最终精加工工序，且在加工中不使用切削液的一种新工艺方法。该方法具有保护环境、经济效益好、可获得良好的整体加工精度和表面质量以及提高加工柔性等优点。硬态干式切削研究的目的就是在没有切削液冷却、润滑和排屑的条件下，探讨改善高硬度零件加工质量、延长刀具寿命和提高生产率的途径和方法。
1 提高加工表面质量的优化研究
为了获取和磨削加工相当的表面质量，对硬态干式切削工艺优化的研究主要集中在分析切削参数变化对表面质量的影响，从而获得诸如最优加工表面粗糙度下的切削参数组合。在硬车AISI 52100滚动轴承钢的研究中，K.Bouacha等人优化得到的表面粗糙度是Ra0.19μm，对应的切削速度v=246m/min，进给量f=0.08mm/rev，切削深度ap=0.15mm。而N.C.Camposeco等人在综合考虑材料切除率和刀具寿命的前提下，对工件表面粗糙度优化结果为Ra=0.95mm，得到的最优切削参数组合为切削速度v=434m/min，进给量f=0.14mm/rev，切削深度ap=2.3mm。在硬态干式车削AISI H13钢的研究中。B.A.Beatrice优化的结果是粗糙度为Ra=0.91μm，得到的最优切削参数组合为切削速度v=95m/min，进给量f=0.05mm/r，切削深度ap=0.5mm。然而对于同样工件材料的铣削研究表明，在优化工艺参数的同时，优化刀具路径轨迹，可以使工件表面粗糙度达到Ra=0.1μm，完全能够取代磨削加工。由以上学者所做的相关研究可知，硬态干式切削条件下的切削速度、进给量和切削深度对工件加工表面粗糙度有着显著的影响，优化切削用量可以改善加工表面粗糙度，在一定条件下可以获得“以车代磨”的效果。
在关注加工表面粗糙度的同时，有关工件表面硬度和残余应力的研究，对改善工件使用性能也是非常有意义的。H.K.T―nshoff等人对硬态干式切削的研究工作表明，已加工表面微观硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小，磨损量越大，表面硬度越高。刘献礼等人的硬态干式切削正交试验结果表明，已加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随进给量和切削深度的增大而降低，而且已加工表面硬度越高，硬化层深度越大。他们还发现，硬车过程中已加工表面硬度虽有所提高，并产生一定的硬化深度，但对表层的金相组织无破坏。A.R.C.Sharman等人车削高温合金Inconel 718，实验结果表明刀具磨损对工件微观结构和残余应力有显著影响，并且工件加工后的表面残余应力受到刀尖圆弧半径的影响。P.I.Varela等人研究了硬态干式切削4340M高强度钢过程中切削刃几何形状和工件硬度对工件表面残余应力的影响，实验中分别选用尖刃、倒棱、钝圆三种刃部形状的CBN刀具。测试结果显示，刀具钝圆半径越大，残余压应力值越大；工件硬度越高，残余压应力值越大。F.Jafarian等也认为工件硬度对工件表面完整性的影响极大，工件硬度值越大，越有利于残余压应力的形成。同时，刀具几何形状也影响残余应力的形成，双倒棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削参数诸如切削深度和进给量对残余应力没有显著影响。
2 钛合金切削加工的特点
钛合金本身所具有的物理和化学性能给切削加工带来了困难，其难加工性具体表现有以下6点：
1)钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料。由于导热、导温系数小，是45号钢的1/6，所以在加工时所产生的高热量不能有效扩散，同时刀具的切削刃和切屑的接触长度短，使热量大量聚集在切削刃上，温度急剧上升，导致刀刃的红硬性下降，刀刃软化，加快刀具磨损。
2)钛合金的亲和力大。钛合金在加工中黏刀现象严重。增大了刀体与工件的摩擦，摩擦导致大量的热，降低了刀具的使用寿命。
3)高的化学活性。在加工中，随着切屑温度的升高，容易与空气中的O、N、CO、CO2、H2O等发生反应，使间隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化变硬，难以加工，增大了刀具单位面积上所承受的切削力，刀尖应力变大，同时使前刀面和后刀面与工件的摩擦加剧，这将导致刀刃迅速磨损或崩刃。
4)钛合金的变形系数不大于1。在切削加工中，刀-屑接触面积小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削温度，加快了刀具前刀面磨损。
5)钛合金的弹性模量小，在切削中容易产生较大变形、回弹、扭曲和振动，造成加工件几何形状和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨损增加。
6)不同的加工方法，钛合金的加工难度不同。按机械加工由易到难排序为：车削、铣削、钻削、磨削。其中钻小直径深孔更困难。
