镍基高温合金钻削加工有限元仿真探究

任梦羽

摘要：高温合金属于难加工材料，在钻削高温合金过程中会产生较高的高温。高温状态下容易使加工刀具产生磨损，这不仅会影响工件的加工质量，而且刀具磨损后频繁换刀严重降低了加工效率并增加了加工成本。传统的凭经验积累的切削参数和刀具材料选用标准已经不再适合高温合金的钻削过程。为解决这一难题，本文进行了相关的研究。本文的研究是基于DEFORM-3D有限元仿真软件的钻削镍基高温合金模型的建立，通过正确的建模得到精确的仿真模型进而为研究加工过程做好准备。

关键词：镍基高温合金;钻削;DEFORM-3D软件;仿真建模

前言

难加工材料是指切削加工性能较差的材料，此类材料一般硬度要大于250HB，韧性或塑性都较大，高温合金就是典型的一种难加工材料。高温合金指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化抗热腐蚀性能和断裂韧性、良好的抗疲劳性能，由于这些良好的使用性能，高温合金被广泛应用于四大热端部件中。但高温合金热传导率低、加工硬化严重、高温强度大等特点使高温合金的加工成为了一个难题。由于钻削加工过程中产生的热量本身就不容易排出，加上难加工材料高温合金的加工过程也会产生较多的热量，热量不能及时散出就会导致刀具磨损快、切屑易粘结在工件表面影响工件的加工质量。所以高温合金的钻削加工更加困难。在实际的工厂企业加工时会普遍使用试切法选出的切削参数，但这种方法选出的切削参数往往与合理的参数相差很远从而导致加工质量差、生产效率低、成本高等问题。这种方法本身自带的盲目性还容易造成人力、物力、财力的大量浪费。而利用有限元仿真软件进行建模加工能够解决上述问题，从而实现高效和高质量加工。

1.有限元加工仿真国内外研究现状

有限元仿真技术因其高效便捷的优点越来越受到重视被广泛应用于机械、土木、材料、航空、汽车、电气工业设计等多种领域。通过有限元技术可以模拟过去许多受条件限制而无法分析的复杂问题，很大程度上缩短了新产品的开发周期，降低了生产成本。在研究钻削加工工艺中，有限元仿真技术的应用在国内外的研究中已经取得了显著的成果。

J S Strenkowski[2]为了能够准确预测钻削加工中产生的轴向力和扭矩，他利用Eulerian建立了有限元模型。Takashi Matsumura[3]对钛合金的钻削加工进行了有限元仿真的研究，他分析了钻削加工过程中应力在加工表面的分布情况和加工表面质量。王慧东[4]基于Deform仿真软件建立了钻削高锰钢的有限元仿真模型，用来研究钻削力、钻削温度和切屑的形成。

2.DEEFORM仿真软件概述

有限元分析是基于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法。而Deform仿真软件是针对复杂金属成形过程的三维金属流动分析模拟的专门软件。它的运行方法实质上是利用修订的拉格朗日定理，选择刚塑性有限元法，定义包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型在内的多种材料模型。Deform-3D的单元格类型是比六面体单元更容易划分的四面体单元，当部分区域的精度要求高时可以对其进行局部网格细划分，不仅降低了运算规模还提高了计算速度。除此之外，Deform软件拥有强大的网格重划分功能。当仿真过程中的变形量超过设定值时软件会自动进行網格重划分。

3.钻削仿真模型的建立

Deform-3D加工过程的仿真模块结构主要由前处理、FEM求解器和后处理三大模块组成。在仿真建模前期先在前处理器中对材料进行选择，本文选择的材料是镍基高温合金。如果材料库中没有相应的材料，就需要新建材料。新建材料时需要先对材料进行命名，然后对材料的属性进行定义。选择材料的化学成分，设置泊松比、杨氏模量、密度、屈服强度、抗拉强度、极限应变，在设置参数类型，支持固定值设置和数表设置。设置热传导系数、比热容、热膨胀系数，所设数据可以是固定值，也可以是变量值。设置完材料后需要设置收敛准则，以便FEM求解器对仿真模型进行求解，求解出结果后再交给后处理进行数据处理，数据处理后可以得到应力、切削力、切屑和切削温度。根据实际的研究需要可以随时调用相关数据。

3.1模型的导入和分析方法的选用

钻削是一个连续且不断变化的加工过程，为了能够得到连续的切屑并简化瞬态切削，使仿真的每一步都能按照瞬态过程进行处理。本文选用Lagrangian 瞬态分析法，它属于类偏微分方程数值解法，方程形式比较简单，不出现输运项，因而容易建立精度高而又稳定的格式。由于它跟踪固定的质团，能够精确表示界面和自由面，所以可以用来计算包含多种物质的系统。

3.2材料本构模型的选择

Deform仿真软件中提供了多种金属材料的本构模型。研究者可以根据自己的需要直接从中选取，也可以根据自身实际的需求对材料进行自定义，以便对材料进行准确的描述，确保研究结果的精度。对材料进行自定义后还可以对其进行保存，方便下一次使用时随时提取。

本文的研究中工件材料选择的是封装在Deform-3D材料库中的Inconel718，刀具材料选择YG8硬质合金作为仿真加工时的刀具材料。并且刀具材料使用的是仿真软件中材料的自定义功能在Deform中创建YG8材料。设置完本材料后要加以保存以便仿真时随时调用。

3.3迭代方法和变形求解器的设置

Deform软件中的迭代方法包括牛顿—辛普森迭代法和直接迭代法。相对于直接迭代法来说牛顿—辛普森迭代法虽然更快，但有时发生不收敛的情况。为了防止类似情况的发生，本研究中选择的是直接迭代法。

在Deform中的分离准则选择Normalized Cockcroft﹠Latham断裂准则。它通过判断加工材料的破坏值是否已经达到临界值来决定材料的断裂。

经过长时间的理论和实践研究证明粘性区域的长度和摩擦系数是保证仿真结果正确的关键，而摩擦系数μ在0.5—0.6之间取值最合理。在本次的仿真研究中摩擦系数设置为0.58。

3.4仿真边界条件的设定

金属切削过程中，切屑与刀具的前刀面和工件切削表面与刀具的后刀面都存在着很大的挤压摩擦，尤其是切屑与刀具的接触区更为明显。所以正确地选择与实际加工相符合的摩擦模型对仿真数据的精确性有决定性的作用。为了符合切削加工过程的摩擦情况，本文选择的是Deform有限元仿真中的刀屑之间的粘结-滑移摩擦模型，并且在仿真研究中的摩擦系数设置为0.58。

为了保证钻削加工过程中的工件位置固定不变，刀具能顺利做垂直进给运动，就要准确的设定刀具和工件之间的边界条件。所以，本文把工件的侧面和底面节点的速度都设置为零，刀具运动轨迹的设置为沿-Z方向垂直运动并能绕Z轴旋转。这样就符合钻削加工的运动过程进而确保钻削加工过程的顺利进行。

3.5模型大小和网格划分

由于在本文中刀具被设置为刚体且网格在计算温度时才被使用，故刀具的网格划分要求不用很严格，为了提高运算速度刀具的网格划分采用相对网格划分，尺寸比设置为3.8，网格数设置为18000。为了保证仿真结果的精确需要把工件切除处和其附近进行网格细化，所以本文工件的网格划分方式选择绝对法，为能产生切屑最小单元尺寸设为钻头进给量的1/2，尺寸比设为10，对刀具和工件网格划分进行设置。

3.5仿真模型的运行

在仿真软件中要想得到加工过程中产生的切削力、切屑形态、切削温度等数据就必须先对仿真模型进行运行。通过以上的设置和运行后可以得到钻削仿真的最终模型，然后再点击Deform-3D Post 和Run选项则可在后处理模块中进行仿真数据的调用。

4. 结论

仿真技术解决了传统实验在难加工材料加工领域中的瓶颈，缩短了企业产品的研发周期，降低了研究成本，进而增加了企业的竞争力。本文对钻削加工仿真模型建立过程中涉及的模块和内容进行了详细的分析和设置，为加工相关的仿真模型的建立和顺利运行提供了參考和保障，但其研究内容的精确性还需要相关的加工实验进行验证和修正。

参考文献

[1]J S Strenkowski， C C Hsieh， A J Shih. An analytical finite element technique for predicting thrust fore and torque in drilling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture.2004：1413-1421.

[2]Takashi Matsumura， Shoichi Tamura. Cutting simulation of alloy drilling with energy analysis and FEM[J]. ScienceDirect. 2015：252-257.

[3]王慧东.高锰钢钻削加工仿真与试验研究[D].[硕士学位论文].大连：大连交通大学.2009.