钛合金TC4高速切削刀具磨损的有限元仿真.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252013V01．34No．92230—2240ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn钛合金TC4高速切削刀具磨损的有限元仿真陈燕1’*，杨树宝2，傅玉灿1，徐九华1，苏宏华11．南京航空航天大学机电学院，江苏南京2100162．安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032摘要：借助有限元方法对切削钛合金时硬质合金刀具的磨损进行了仿真。首先，根据钛合金切削时刀具磨损机

2、理，建立了能够综合反映粘结磨损、扩散磨损及磨粒磨损的磨损率模型；通过增大传热系数、平滑节点磨损值等方法，解决了刀具磨损过程中切削温度场的仿真、内部网格的调整及刀具表面轮廓的光滑处理等一系列问题，结合磨损子程序建立了预测刀具磨损的有限元模型。然后，通过切削实验对有限元模型的有效性进行了验证，结果表明：所建立的有限元模型能够较准确的预测刀具前刀面磨损及其磨损形貌。最后，对高速切削钛合金条件下的刀具耐用度进行了预测，预测结果表明：随着速度的增加，刀具会快速磨损，切削速度为300m／min时刀具寿命仅为130m／min时的1／3。因此，切削速度的选择

3、要综合考虑切削效率与刀具寿命这两个因素。关键词：高速切削；钛合金；刀具磨损；有限元；磨损率模型中图分类号：V261．2+1；TGl46．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)092230—11钛合金材料因具有比强度高、热强度高和抗腐蚀性好等优良特性，在航天、航空等领域获得广泛应用。但钛合金材料亦具有导热系数小、高温化学活性大和弹性模量低等特性，是典型的难加工材料。文献[1]～文献[3]中的切削实验结果表明：刀具的快速磨损是制约钛合金高速切削加工的主要因素。刀具磨损过快必然会增加刀具消耗，影响加工质量，降低生产率，并提高加工费

4、用。分析并预测不同切削条件下刀具的磨损情况，对于降低加工费用、提高切削效率、改进切削工艺及改进刀具结构有重要的意义。目前，刀具寿命预测主要是通过刀具耐用度经验公式，如Taylor【43公式和Hastings[51公式。该类公式给出了刀具寿命与主要切削参数或切削过程变量之间的关系。其中，Taylor公式简单描述了刀具寿命与切削速度之间的指数关系，而Hastings刀具耐用度公式则描述了切削温度对刀具耐用度的重要影响。但是这些刀具耐用度公式的应用范围有限，如果切削系统中的某些条件(如刀具几何参数、加工材料和切削环境等)发生变化，则公式中的系数就不

5、再适用，必须通过大量切削实验重新确定，难于适应目前高速切削技术及新材料的快速发展。而且，该类公式仅能预测刀具的寿命，无法预测刀具的磨损过程、刀具的磨损形式及刀具的磨损机理等其他信息，而这些信息对于刀具设计者来说是非常有用的。在获取这些信息的基础上，可以对刀具几何参数、刃口形式及刀具涂层等方面进行进一步的优化，从而设计制造出符合用户要求的优质刀具。收稿日期：2013．04—12；退修日期：2013—05—09；录用日期：2013—06—13；网络出版时间：2013—06-2408：13网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail

6、／11．1929．V20130624．0813001．htmI基金项目：国家自然科学基金(50775115)*通讯作者．Tel．：025—84895930E-mail：ninaych@nuaaeducn戤愚格武：thenY，YangS8，FuYC，etal．FEMestimationoftoolwearinhighspeedcuttingofTi6A14ValloyActaAeronauticaetAstro—nauticaSinica．2013．34(9)：2230-2240i陈燕．杨树宝．傅玉烛．等钛合金TC4高速切魏刀具窘擐的有哏元仿真

7、航空学报，2013，34(9)：2230．2240陈燕等：钛合金TC4高速切削刀具磨损的有限元仿真2231近年来，有限元方法在切削加工领域的成功应用，为揭示刀具磨损机理进而预测其磨损的进程提供了基础：仿真中可以获取例如刀具前、后刀面上的应力、温度分布等参数，这些参数与刀具的磨损直接相关。另外，根据这些参数与刀具寿命的关系，可以对切削工艺及刀具进行优化设计。目前，已经有学者对刀具磨损进行预测，文献E6]～文献E8]通过有限差分的方法，针对硬质合金切削碳钢的磨损过程进行了仿真预测，证明了预测刀具磨损的可行性。但是这种方法存在着不足，不能对刀具的形

8、貌进行更新，只能以恒定的磨损率进行计算，没有考虑到刀具磨损后磨损率及其分布规律的变化。Yen等口]使用商用软件DEFORM，利用Usui的粘结磨损模型，预测了正交切