钛合金侧铣加工残余应力与变形研究

2022-09-19王卓曹珍珍杨青平张立强

机床与液压 2022年16期

王卓，曹珍珍，杨青平，张立强

(1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620；2.成都永峰科技有限公司，四川成都 610511)

0 前言

在表面质量研究方面，主要以铣削参数对加工表面残余应力影响的研究为主。DENKENA等利用球头铣刀对焊接件TC4进行五轴铣削，试验表明：切削刃半径对残余应力影响最大，其次是进给量。CHENG等利用高斯回归法对加工表面残余应力进行预测，相比切削速度与切削深度，进给量对残余应力影响最大。ZHOU和YANG建立了铣削复杂表面残余应力的解析模型，该解析模型能够很好地预测复杂表面的残余应力。LIU等利用有限元法研究刀具几何参数对加工高温合金产生的残余应力的影响，结果表明：负前角能够产生更大的压应力。黄尧等人考虑铣削路径与铣削参数对钛合金加工进行有限元仿真，结果表明铣削速度对表面残余应力的影响最大。李军等人对铣削加工TC4合金表面残余应力进行了研究，结果表明：随着铣削参数的增加，表面残余应力也增加。WAN等综述了残余应力的预测方法，即经验模型、有限元模型、解析建模。SUN和GUO发现增加端铣TC4进给量可转变残余应力的拉伸方向，而切削速度对残余应力的影响则相反。

针对铣削力引起的变形的研究较多，而对加工诱导的残余应力引起的变形的研究较少。本文作者通过有限元软件建立2D切削模型，考虑每齿进给量与刀具刃口半径的变化对加工残余应力的影响，通过切削仿真得到加工残余应力，然后将残余应力施加到薄壁有限元模型中，研究加工残余应力与变形的关系，并通过加工试验验证结果的有效性。

1 有限元建模

1.1 切削有限元模型

在航空产业中，薄壁件的加工是金属切削中的典型应用，通常这类薄壁件的加工采用铣削的方式。薄壁件加工过程中伴随着铣削力的产生，铣削力是解释加工变形、“让刀”变形、切削热的产生、加工过程中的塑性变形等现象的依据。由图1可知，由于铣刀结构的特殊性，铣削过程中未变形切屑厚度是变量，铣削时任一刀齿的一点是次摆线向前运动的，在铣削过程中，铣刀一个刀齿切削长度为，根据式(2)可知，切削长度只与铣削宽度有关：

图1 单齿铣削示意

=sin

(1)

(2)

式中:为包含角;为切削宽度;为刀具半径;为未变形切削厚度;为单齿有效切削长度。

为提高有限元仿真效率，将3D模型简化为2D切削模型。根据等效面积法，铣削时未变形切屑厚度转换为等效切削厚度。将等效切削厚度作为2D模型中的切削深度,公式如式(3)所示。根据式(2)建立一个刀齿的有效切削长度，如图2所示。刀具采用硬质合金刀具，前角为5 ℃，后角为12 ℃。

图2 2D切削示意

(3)

1.2 TC4材料属性与切屑分离准则

工件材料采用TC4合金，物理属性如表1所示；刀具采用硬质合金刀具，物理属性如表2所示。

表1 TC4物理属性

表2 硬质合金物理属性

金属切削过程是复杂的热力耦合过程，存在着大变形、高应变率现象。仿真模型中选择合适的本构模型能较为准确地描述实际加工，因此Johnson-Cook本构模型常作为材料本构模型，参数如表3所示。

表3 Johnson-Cook本构参数

切屑分离准则有物理准则与几何准则，文中采用Johnson-Cook动态失效模型，如公式(4)所示：

(4)

表4 Johnson-Cook失效参数

1.3 TC4薄壁件加工变形建模

工件尺寸为70 mm×25 mm×3 mm，为仿真结果与闭腔实际加工过程中相似的约束条件，对工件侧面与底面施加约束。仿真后，采用有限元软件预应力施加的功能施加残余应力，通过仿真实现加工诱导的残余应力对TC4薄壁件的加工变形仿真。由于加工诱导残余应力引起的变形本质上属于弹性变形，在有限元软件中材料的属性只设置材料密度与弹性。图3所示为薄壁结构有限元仿真模型。

图3 薄壁结构有限元模型

2 铣削试验

使用闭框结构件进行内侧壁铣削试验，试件尺寸如图4所示。采用钛合金TC4作为试验材料，其属性如表1所示。采用C100P立卧转换加工中心；刀具使用硬质合金圆角铣刀，铣刀直径为16 mm，螺旋角为35°，齿数为4，圆角半径为3 mm。为避免刀具挠度变形对加工结果产生影响，刀具夹持深度应尽可能深，如图5所示。润滑方式为乳化液润滑。铣削时切削深度为7 mm、切削宽度为0.5 mm。由于刀具刃口半径对加工残余应力影响最大，将它作为铣削试验的变量，进行加工试验。铣削试验参数设计如表5所示，并选取试验组1与4进行加工试验。利用三坐标测量计测量图4所示的与边距离顶面2.5 mm处方向的变形。残余应力采用PROTO X射线衍射仪测量，PROTO X射线衍射仪测量如图6所示。

图4 闭腔加工特征

图5 刀具实物

表5 单因素试验参数

图6 PROTO X 射线衍射仪

3 结果分析

3.1 残余应力分析

残余应力是由塑性变形、刀具刃口对已加工表面的犁耕、刀具后刀面对已加工表面的摩擦等综合作用产生的。通过2D切削仿真分别分析每齿进给量、刀具刃口半径对图3方向的残余应力与方向的残余应力的影响，并将试验值与仿真值进行比较分析。

由图7可知：随着每齿进给量的增加，、向表面残余压应力逐渐增大，这是由于每齿进给量的增加，增大了刀具后刀面对工件的犁耕效应，使得残余压应力呈现增大的趋势;当测试点距离表面的深度大于0.01 mm时，残余应力随着深度的增加变化不大。

图7 每齿进给量对表面残余应力的影响

由图8可知：刃口半径从0.02 mm变为0.04 mm时，向表面残余压应力绝对值由442 MPa 减少到412.3 MPa，平均变化幅度为2%，向表面残余压应力绝对值由254 MPa 减少到215 MPa，平均变化幅度为12%。可见，刀具刃口半径对向残余压应力影响较大。

图8 刀具刃口半径对残余应力的影响

由图9可知:与向残余应力实测值与仿真虽然有误差，但趋势基本一致，最大残余应力误差约为20%。这是由于仿真分析是基于切削理论基本假设的理想情况进行的，而实际加工过程中，各种因素耦合作用使得测得的残余应力与仿真结果不同。

图9 每齿进给量为0.06、0.08 mm时表面残余应力实测值与仿真值对比

3.2 变形分析

由图10可知：每齿进给量由0.06 mm增加到0.08 mm时,最大变形量绝对值由0.024 mm增大到0.031 mm,增加幅度约为30%。这是由于每齿进给量增加，导致铣削力随之增加，表面残余应力也随之增加。

图10 每齿进给量对侧壁的影响图11 刃口半径对侧壁的影响

由图11可知：随刃口半径增大，最大变形量逐渐减小。这是由于刃口半径增大，表面残余应力减小，使得加工后的最大变形量也减少。

如图12所示，在每齿进给量为0.06、0.08 mm时，试验与仿真加工变形量趋势基本一致，最大变形量皆出现在侧壁的中间位置，试验值与仿真值平均误差约为12%；在相同的进给量下，实际测量的数据与仿真数据有偏差，这是由于在加工过程中，刀具对侧壁的力与侧壁对刀具的力是相对的，会出现刀具对侧壁的过切现象，使得仿真值与实测值出现偏差。