超声波振动切削TC4钛合金的残余应力数值分析

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1、数字化设计与制造DIGll_ALDESIGNANDMANUFACTURlNG超声波振动切削TC4钛合金的残余应力数值分析NumericaIAnalysisofResidualStressforTC4CausedbyUItrasonicVibrationCutting中航T业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司杨万辉陈雷杨金发杨惠欣【摘要】为研究超声波振动切削TC4钛合金产生的残余应力，利用三维热力耦合有限元模型对钛合金超声波振动切削和振动时效处理进行了数值模拟。超声波振动切削相比普通切削可有效降低平

2、均切削力，但振动切削的瞬时冲击作用使工件表层产生分布梯度较大的残余应力。振动时效可在一定程度上降低和均化被切削工件的残余应力，并提高TC4钛合金工件的抗疲劳性能。关键词：超声波振动切削残余应力振动时效抗疲劳【ABSTRACTlInordertoanalyzethestressofTC4titaniumalloycausedbyultrasonicVibrationcutting，thenumericalsimulationforultrasonicVibrationcuttingandVSRisca州

3、edoutusingthe3Dthemo—mechanicalcou-pled6niteelementmodel_UltrasonicVibrationcuttingcanefrectiVelyreducetheaVeragecuttingforcecomparedwiththeordinarycutting，buttheinstantaneousimpactofVibra—tioncuttingresultsinuneVenresidualstressonthesurfaceoftheworkpie

4、ce．VSRcanmaketheresidualstressoftheworkpiecereducedandhomogenized，andimproVetheanti-fatigueperfbmanceofTC4titaniuma110yworkpiecetoacenaindegree．Keywords：UltrasonicVibrationcuttingResidualstressVSRAnti-fatigueDol：10．16080“．issnl671．833x．2015．15．036Tc4钛合金

5、因质量轻、强度高、耐热性好、抗腐蚀性强而被广泛应用于航空航天工业，但钛合金切削过程具有冷硬现象严重、切削温度过高、刀具易粘附磨损等特点。超声波振动切削是一种具有分离和变速特性的脉冲式切削技术，可有效降低切削力和切削热，提高刀具使用寿命，改善_丁件表面加工质量。因此，超声波振动切削成为加工钛合金材料的有效手段。TC4钛合金的超声波振动切削过程是高度复杂的非线性问题，有限元法逐步成为研究振动切削加工机理的重要途径。N．Ahme圳建立了超声波振动切削和普通切削Inconel718的i维有限元模型，对比分析了

6、2种方式下切削力和切削温度分布情况。S．Aminil2】对超声36航窄制造技术·2015年第15期波振动切削IN738进行了有限元分析，重点研究了切削速度、刀具几何参数以及刀具振动幅度对切削过程的影响。杨亮13I建立了超声波振动切削单晶铜的二维有限元模型，给出了振动过程中应力分布和切削区温度分布的变化规律。易俊杰14l通过二维正交振动切削模型，对TC4钛合金的振动切削和普通切削进行了对比分析。国内外学者通过有限元法对超声波振动切削已开展一定的研究丁作，但在分析振动切削Tc4钛合金的残余应力方面仍然不够

7、。由于振动切削具有冲击特性，很有必要对TC4钛合金切削产生的残余应力进行深入分析。1切削加工模型及有限元理论1．1切削有限元模型在有限元软件中建立的三维斜角切削模型包含待加工工件和刀具实体模型，待加TT件由工件基体、失效层和切屑层组成，如图l所示。工件材料为钛合金TC4，基体尺寸为2mm×lmm×0．3mm，切屑层和失效层的厚度分别为0．03mm和0．005mm；刀具设为离散刚体，采用材料PCBN，刀具前角为18。，后角为8。，刃倾角A．。为10。。T件和刀具采用C3D8T八节点六面体双线性热力耦合单

8、元，分别采用结构化和自由网格划分技术。图1斜角振动切削有限元模型Fig．1FEMmOdelOfObIiqueVibratiOncuning1．2材料本构方程斜角振动切削是一种具有大变形、高应变率、局部高温特点的动态过程，可采用Johnson—Cook模型描述。该模型综合考虑了加工过程中材料的应变强化效应、应变率强化效应和温度软化作用，定义的本构方程为：m于=(A+B(伊‘)4)(1+cln(毒驯／岛))(1一丁)，(1)式中，伊为等效应力，岛为参考应变率