涂層硬質合金立銑刀切削TC4仿真研究
作者：天乙數控機床時間：2021-03-101646次瀏覽
信息摘要：
TC4是典型的-鈦合金，具有力學性能好、比強度高、高溫低溫性能優良、抗腐蝕性能優異等突出特點，已在航空航天、汽車、船舶制造、生物醫學等領域得到廣泛應用。但是從切削加工性
TC4是典型的α-β鈦合金，具有力學性能好、比強度高、高溫低溫性能優良、抗腐蝕性能優異等突出特點，已在航空航天、汽車、船舶制造、生物醫學等領域得到廣泛應用。但是從切削加工性能看，TC4低的熱傳導率、高的切削溫度使得刀具磨損加快、刀具壽命縮短、加工效率降低。研究表明加工時加入切削液可提高刀具使用壽命[1]，但是使用切削液會增加加工成本，加重環境污染[2]，因此常采用干切削加工方式。選擇合理的刀具涂層材料及涂層厚度可有效克服干切削中刀- 屑接觸面摩擦和切削溫度增加的缺點，是提高鈦合金加工效率的有效途徑。
刀具涂層工藝主要采用PVD或CVD2種技術。常用的涂層材料包括TiN、TiCN、TiAlN及Al2O3。很多學者通過切削試驗或有限元仿真研究了涂層對刀具切削性能的影響。張士軍[3]采用解析方法揭示了涂層材料及涂層厚度對刀具切削溫度的影響規律，計算結果表明涂層材料的熱傳導率越小、涂層厚度越大，涂層刀具的切削溫度就越低。T.Ozel等[4]采用切削試驗及三維有限元仿真方法研究了未涂層、TiAlN涂層及TiAlN/CBN涂層硬質合金刀具對TC4加工時的切削力、切削溫度及刀具磨損的影響，研究發現TiAlN涂層刀具的切削性能最佳。M.Nouari等[2]采用切削試驗方法研究了未涂層和多層涂層（TiC、TiN及TiCN交替涂層，9層共10μm厚）硬質合金刀具干切削鈦合金時的刀具壽命和加工表面質量，得到了刀具使用壽命最長時的切削速度范圍，同時使用有限元分析法模擬了2種刀具加工鈦合金時的切削溫度分布云圖。Irfan等[5]采用未涂層及不同涂層材料（TiCN+Al2O3+TiN 和Al2O3）刀具切削加工時的切削力、切削溫度，結果顯示Al2O3涂層刀具的切削溫度最低。
本文首先利用有限元分析軟件AdvantEdge建立立銑刀三維銑削模型，然后將銑削TC4試驗得到的切削力與有限元模擬結果對比以驗證三維銑削模型的正確性，最后通過有限元分析硬質合金立銑刀的涂層厚度（1μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm）及涂層材料對刀具切削溫度、切削及單位切削能的影響規律。涂層材料分為5種：未涂層、TiAlN（4μm）、Al2O3（4μm）、Al2O3/TiN（2μm/2μm）、TiAlN/Al2O3/TiN（2μm/1μm/1μm）,編號依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
立銑刀三維銑削有限元模型及試驗驗證
1 TC4材料本構模型
有限元分析中，在高應變率條件下輸入精確的材料流動應力模型是描述工件材料本構行為的有效方法[6]。工件材料的流動應力通常定義為應變、應變率和溫度的函數。AdvantEdge軟件中本構方程的冪指數材料模型如式（1）所示：
σεp,·ε,T= g (εp)·Γ·ε·Θ(T)，（1）σ式中，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是σ塑性應·Θ變(T，)εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是應變·硬Θ(Tσ化函數；εp,·ε，T=g (εp)·Γ·εσ是·Θ應(變T)率，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是·Θ應(T變)率σ敏感系數；T是溫度，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε·Θ(T)是熱軟化系數，本文仿真時采用AdvantEdge軟件材料庫中有關TC4的本構方程系數。
工件材料TC4鈦合金的化學成分如表1所示。工件材料TC4鈦合金的物理性質包括：彈性模量E=114GPa，熱傳導率λ=7.05~16.24W/m·℃， 比熱容Cp =2.27~3.81N/mm2·℃，泊松比υ=0.34，密度ρ=4428kg/m3，熱擴散系數α=9.6×10-6/℃ [4,6]。
試驗采用刀具涂覆TiAlN涂層，且厚度為5μm，TiAlN的熱傳導率如表2所示，彈性模量E=380GPa，微硬度為3300HV。
2 立銑刀三維銑削有限元模型
使用有限元分析軟件AdvantEdge模擬分析立銑刀三維銑削鈦合金TC4的加工過程。邊界條件定義為刀具繞Z軸的旋轉運動和直線進給運動，使用拉格朗日方法進行計算。采用網格重劃分、自適應網格技術及網格收斂技術以獲得最優的網格（圖1）。刀具及工件的網格類型均為4節點12自由度的四面體單元。工件的最大及最小單元尺寸分別為2mm、0.15mm，刀具的最大及最小單元尺寸分別為1mm、0.1mm。
3 銑削試驗驗證
有限元軟件的分析精度很大程度上依賴于所建立的三維模型及使用的材料本構模型的準確性和精確性。本文通過將試驗所得切削力與仿真分析所得切削力對比以驗證所建立的三維模型及材料本構模型的準確性和精確性，即有限元仿真分析的有效性。銑削試驗采用DAEWOOACE-V500立式加工中心，最高轉速為10000r/min，功率為15kW；使用Kistler-9275A測力儀測量銑削過程切削力；使用的刀具為整體硬質立銑刀，刀具參數及切削參數見表3、表4。
仿真中刀具幾何參數如表3所示，設置刀具繞Z軸旋轉720°，模擬切削時間0.06s，試驗與模擬得到的X、Y、Z方向切削力對比如圖2所示。圖中各項目的切削條件如下：
Ⅰ：v=60m/min , fz=0.1mm/Z ,ae=2mm，ap=3mm；
Ⅱ：v=60m/min, fz=0.15mm/Z,ae=3mm, ap=5mm;
Ⅲ：v=90m/mi n，fz=0.05mm/Z,ae=3mm，ap=5mm;
Ⅳ：v=90m/min, fz=0.15mm/Z,ae=2mm，ap=1mm。
