切削三要素对钛合金薄壁件变形的影响试验研究*

2020-11-18杨样，陈夷，高位

机械研究与应用 2020年5期

杨样，陈夷，高位

(重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760)

0 引言

随着航空航天领域的发展，其对产品性能、强度、重量等指标的要求越来越苛刻，钛合金材料也逐步成为核心结构件的重要轻量化材料之一。钛合金具有强度高、耐高温、耐腐蚀性强等优点，非常适用于承载大、温度高的特殊载荷部位。查阅相关资料发现：某一代武器系统的毁伤部分，钛合金的用量占32%，二代则高达47%。可以推断，钛合金的用量将会随着航空航天工业的发展而进一步增加。

薄壁结构本为难加工结构之一，加之钛合金材料的难加工性，致使钛合金薄壁件的变形更加难以控制。在加工过程中，切削力、切削振动、切削弹性等因素导致钛合金薄壁件的受力形式更加复杂[1]。而切削三要素可以直接影响到切削力和切削振动，故而不合理的切削要素可能会直接影响工件变形乃至超差，从而无法满足相应的工件质量要求。因此研究控制钛合金薄壁结构件的加工变形技术，对进一步提升制造技术水平和生产能力也具有重要的促进作用。

笔者以TC4钛合金薄壁件为研究对象，致力于控制其加工带来的变形，理论分析车削加工中的受力情况，软件仿真出变形量最小的切削参数，再进行实验验证，为钛合金薄壁结构件车削加工提供行之有效的工艺参数。

1 车削过程的受力分析

金属的切削过程，本质上是工件在刀具前刀面的推挤下发生了剪切位移，被剪切掉的材料变成切屑从工件上分离。在实际的车削过程中，工件发生塑形变形的情况较理论分析复杂，可分为三个变形区，见图1。

图1 金属车削过程中的变形区示意图

图1中，第Ⅰ变形区属于塑性变形，由于切屑受推挤的情况下发生剪切，形状发生变化的同时也会产生大量的热。第Ⅱ变形区是在刀具和工件的接触部位。此区域中，刀具与工件金属硬性摩擦，使工件和刀具的便面温度大幅上升。第Ⅲ变形区发生在刀具后刀面与已加工表面的接触区，刀具后刀面对工件表面有挤压作用，工件表面被迅速硬化[2]。

整个加工过程中，切削力的变化都直接影响工件的变形、工件与刀具温度的变化以及刀具的寿命。切削力是刀具和工件发生位移而产生的(第Ⅱ变形区)，同时切削力也用来抵抗工件的塑形变形的力，与工件材料(第Ⅰ变形区)和工件表面(第Ⅲ变形区)产生相对位移矢量。

便于分析，这里将切削力的产生过程理想化，将其按主运动方向、切深方向和进给方向分Fx、Fy和Fz三个相互垂直的分力。如图2所示。

图2 切削力分解示意图

图2中，Fz与被加工表面相切并与基面垂直，称为主切削力。相关文献表明，主切削力是三个切削分力中最大的一个，消耗高达总功率的95%左右，是本文研究的重点方向。Fx是与工件轴线平行的力。Fy处于基面内并与工件轴线垂直的力。三者关系可用如下经验公式表示：

(1)

式中：Fr是切削过程中的综合切削力。

国内外有学者通过相关实验得到实验数据，再利用最小二乘法拟合实验数据，得处切削力指数公式，即：切削力的经验公式：

主切削：

(2)

切深抗力：

(3)

进给抗力：

(4)

式中：CFZ、CFy、CFx是被加工材料和切削条件对切削力的影响系数；xFz、xFy、xFx是切削深度对切削力的影响系数；yFz、yFy、yFx是进给量对切削力的影响系数；zFz、zFy、zFx是切削速度对切削力的影响系数；KFz、KFy、KFx是实验条件与经验公式规定的切削条件不同时，各因素对切削力的影响修正系数。

2 切削深度对切削力影响的理论分析

2.1 切削三要素对切削力、切削变形的影响分析

根据公式(3)结合图1金属切削过程中的三个变形区图可以看出，切削三要素对切削变形都有影响：

(1) 切削速度：当切削深度ap、进给量f不变时，切削速度v影响第Ⅱ变形区的切削温度变化以及第Ⅲ变形区中的被加工表面质量[3]。

(2) 切削深度：当切削速度v、进给量f不变，切削深度ap影响切削宽度，所需要的切削力与ap呈正比。

(3) 进给量：当切削速度v、切削深度ap不变，进给量f与切削深度ap呈正比，进而切削力随f增大而增大。

2.2 切削深度对切削力影响分析

文章从切削深度方面分析其对切削力、切削变形的影响。当切削速度v=50 m/min，进给量f=1 mm/r时，根据公式(2)可以计算出主切削力Fz的变化，见表1所列。

表1 切削深度影响主切削力的变化数据

从表1中可以看出，切削力与切削深度呈正比，且变化比较明显，当切削深度呈倍数增加时，切削力随之增加25%。这是因为切削深度增加时，切削面积也会增大，弹塑性变形和切削力都会随之增加。

3 切削深度对切削力影响的仿真分析

仿真采用单因素变量法，在切削速度v=50 m/min，进给量f=1 mm/r时，改变切削深度ap进行三组仿真，具体仿真方案见表2所列。

表2 钛合金CT4薄壁件车削仿真参数

3.1 车削模型的建立

薄壁件外圆直径为306 mm，内圆直径为277 mm，车刀采用55°车刀。运用SolidWorks建立车削模型，以x-t模式导入Ansys Workbench中进行仿真。由于工件直径过大，为节约计算时间，仅截取工件直径的1/12进行仿真分析，车削模型简化为如图3所示[4]。

图3 钛合金CT4薄壁件车削三维模型

3.2 添加材料库、划分网格

文中以TC4钛合金薄壁件为研究对象，可自定义设置工件材料将其命名为CT4、设置刀具材料将其命名为DJCL并赋予给工件与刀具。具体材料参数如表3所列。

表3 钛合金CT4薄壁件及刀具的材料参数

由于工件模型过大，全部采用较细的网格划分会加长计算时间，因此采用局部网格细化划分网格，只把需要车削的部分细化，网格划分如图4所示。

3.3 施加载荷约束、后处理

在实际加工过程中，车刀通常做进给运动，工件绕Z轴转动，因此在施加载荷约束设置中，将车刀设为主动件做进给运动，工件设为从动件绕Z轴转动，同时将车刀定义为不变形的刚体结构。在车削过程中，切屑从刀具的前刀面排出，刀具后刀面与已加工表面之间会有摩擦，因此将车刀和工件接触的摩擦系数设定为0.2，摩擦类型为剪切摩擦，法向定义为硬接触。仿真金属切削过程中切削三要素对切削变形的影响，选择受力计算。

3.4 观察仿真结果及规律

三组仿真结果受力与变形结果显示如图5所示。

图5 三组仿真试验受力结果云图

从表4可以看出，切削深度从0.25 m倍数增加至1.00 mm时，工件受力从1 021.3 MPa变成1 261.3 MPa再到1 545.9 MPa，受力随之增加了约25%。这与3.2节中切削深度对切削力影响分析结果相吻合。

表4 三组仿真试验受力结果

4 切削深度对切削力影响的实验验证

通过对切削深度对切削力的影响进行理论分析与仿真实验，结果都表明切削力是切削变形的直接影响因素。本节在实际车削钛合金薄壁件的过程中，通过测量薄壁件实物尺寸变形验证了切削深度对切削力的影响。实验件尺寸示意图见图6，车外圆时，分粗、精车，实验条件见表5所列。

表5 实验条件

图6 钛合金薄壁件尺寸示意图

加工完成之后，用外径千分尺测量图2上φ288.87的实际尺寸，测量位置取φ288.87外圆互相垂直的2个方向。测量结果见表6所列。

表6 实验工件的实测值

分析表5和表6，可以看出，工件的变形程度随着切削深度的降低出现明显的改善[5]。证明切削深度的降低，在切削过程中的切削力有明显的降低。同时，当精车的切削深度不变，将粗车的切削深度降低，对切削变形有一定的改善；当粗车的切削深度不变，将精车的切削深度降低，工件的变形“腰斩”式降低。这也与表1中切削力的理论值向吻合。