航空钛合金铣削过程有限元数值模拟_王洪祥

文章编号:1004-2539(2012)02-0033-04

航空钛合金铣削过程有限元数值模拟

王洪祥徐涛杨嘉

(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘要基于材料损伤理论确定了切屑分离准则,建立了钛合金TC4构件铣削过程的有限元模型,利用商业有限元软件(ABAQUS),在给定切削参数条件下,采用不同几何参数(前角、后角、螺旋角)的刀具对钛合金TC4的铣削过程进行了有限元模拟,研究了切削力和切削温度随刀具角度变化的规律,结果表明:铣刀的前角在10b~20b,后角为12b~20b,螺旋角为30b~45b时比较适合钛合金TC4的铣削。

关键词材料损伤有限元模型切削力切削温度

Finite Element Simulation of Titanium Alloy Milling Process

Wang Hongxiang Xu Tao Yang Jia

(School of Mechatronics Engi neering,Harbin Ins ti tute of Technology,Harbin150001,China)

Abstract The chip separation is determined based on material damage theory,the finite element model of titan-i um alloy TC4monolithic component.s milling process is established.Under given conditions,the titanium alloy TC4is milled by cutters with different geometrical parameters(rake angle、clearance angle、spiral angle),the milling process of titanium alloy TC4is simulated using commercial finite element software(ABAQUS),the low the cutting forces and cut-ting temperature changed with cutter angle is studied,results sho w that:the milling cutter with rake angle between10b~ 20b,clearance angle between12b~20b and spiral angle between30b45b is proper to mill titanium alloy TC4.

Key words Material damage Finite element model Cutting force Cutting te mperature

0引言

钛合金作为一种高强度比的金属广泛应用于航空航天零件材料。但是由于钛合金散热系数小,强度大,在其铣削过程中切削力大,所产生的热量多,且不易扩散,钛切屑易与刀齿发生黏结,铣刀寿命短,切削过程中难以保证加工质量,需要反复试切才能选出合适的刀具。钛合金铣削加工过程中铣刀几何参数主要有刀具前角、后角和螺旋角,往往是通过试验的方法对这些角度进行选择,要求研究人员具有丰富的实践经验,实验次数较多,需要配备相当数量的刀具,增加了生产成本。随着计算机技术的发展和数值仿真理论的不断完善,采用数值模拟技术来对金属的切削过程进行仿真成为探索金属切削机理的重要手段,仿真结果形象、逼真,能够比较真实地反映各种因素对切削过程的影响。这样大大降低了试验成本,也为切削参数优选提供了便利条件。

我们利用商用有限元软件(ABAQUS)建立钛合金TC4铣削过程有限元模型,分析刀具几何参数(前角、后角和螺旋角)对切削力和切削温度的影响规律,以便进一步优选刀具几何参数。

1TC4铣削过程有限元模型的建立

1.1材料本构模型的选择

铣削是一个涉及大应变、高应变率和高温的过程,需要一种能够描述这种情况下应力与应变、应变率和温度关系的本构模型。目前能够描述切削过程中工件材料本构关系的模型有多种,包括[1]Litonski-Batra模型、power-law模型、Johnson-Cook模型和Bodner-Partom模型等,我们采用在切削领域应用较多的John-son-Cook模型来描述工件材料的本构关系如式(1)所示[2],模型参数见表1[3]。

表1Johnson-Cook模型参数

A/MPa B/MPa n C m

982643.4670.2270.015 1.223

R=(A+B E n)[1+C ln(1+E

#

E#0)](1-T

*m)(1)

33

第36卷第02期航空钛合金铣削过程有限元数值模拟

T *

=T -T r T m -T

r

(2)

式中,R 为流动应力;E #

、E 分别为应变率和应变;E 0为参考应变率(为1S

-1

);T r 为参考温度(为25e );T m 为

熔点温度;A 、B 、C 、m 、n 为材料常数。1.2 材料的失效和切屑分离准则

在铣削的有限元仿真过程中,切削分离准则的设

置至关重要,它直接影响有限元仿真结果的正确与否,现有的切屑分离准则可以分为两种类型,即几何分离准则和物理分离准则。几何分离准则主要是通过判断变形体几何尺寸的变化来判断切屑与工件是否分离。物理分离准则是基于物理量是否达到阈值的一种切屑分离准则,主要有等效塑性应变准则、应变能密度准则、失效应力准则、剪切失效准则等。物理失效准则能够更好地反映真实切屑与工件的分离状态,并且其能够直观地表现材料真实特性。目前已经有很多学者证明钛合金在加工过程中材料的破坏遵循Johnson-Cook 动态失效模型[4-8],当破坏参数的数值大于1时,断裂破坏随之发生[9],破坏参数与等效塑性应变率增量和材料破坏时的应变的关系见式(3),TC4的Johnson-Cook 剪切失效模型参数见表2。

表2 Johnson-Cook 剪切失效模型参数

d 1d 2d 3d 4d 5-0.09

0.25

-0.50

0.014

3.87

X =6($E

pl

E p l f

)

(3)

式中,$E p l 为等效塑性应变率增量;E p l

f 为材料破坏时的应变,E pl f 可表示为E p l f =

[d 1+d 2exp (d 3p q )][1+d 4ln (E pl

E 0

)](1+d 5H ^)](4)

式中,p 为压应力;q 为Von Mises 应力;E p l

为塑性应变

率;E 0为材料的参考应变率;H ^为参考温度(为25e );d 1~d 5为材料常数。

1.3 刀具和工件材料物理属性

工件材料为钛合金TC4,它的最高工作温度约为427e ,硬度为39~40HRC,其物理属性见表2,刀具材料YG8物理属性见表3。

表2 钛合金TC4的物理属性物理量

工件密度导热系数K /(Wm -1K -1)

8.2热胀系数/(1/e )

9.5熔点/e

1540~1650

表3 YG8的物理属性

物理量刀具密度/(g/cm 3)14.5~14.9弹性模量/GPa 600~610导热系数/(Wm -1K -1)4.5热膨胀系数/(1/e )

75.4硬度/HR A 89抗弯强度/GPa 1.5抗压强度/GPa 4.47冲击韧性/(J/cm 2)

2.5

1.4 几何模型的建立与有限元网格划分

铣刀为整体硬质合金刀具,其直径为10mm ,有限元计算中通过单因素法分别改变铣刀的前角、后角和螺旋角,考察其对切削力和切削温度的影响,前、后角和螺旋角的取值范围如表4所示。

表4 有限元模型中铣刀角度范围

前角C 0/(b )后角A /(b )螺旋角B /(b )0~20

0~20

10~70

考虑到实际加工过程中工件是薄壁件,文中将工

件简化为/L 0形构件。铣削过程是一个热力耦合的过程,计算过程比较复杂,在仿真过程中,网格划分质量对计算的精度和效率有很大的影响。工件网格采用结构化网格划分技术,网格较为规则;铣刀刀齿表面为曲

面,若采用结构化网格对铣刀进行网格划分较为困难,

我们采用映像网格对其进行划分,并将其视为刚体。在单元选择的过程中,刀具和工件都选择8节点一阶减缩积分热力耦合单元(C3D8RT),并进行沙漏控制。1.5 载荷和边界条件的施加

将工件需要切割的部分(切屑)定义为基于节点的表面类型,并与刀具表面形成接触对,在设置过程中要使刀具不侵入工件,使刀具与工件内部节点的接触。铣刀与参考点进行耦合,载荷施加于参考点上。工件在切削过程中受到夹具的作用,认为其底部完全被约6个自由度全部约束。

铣削过程有限元仿真结果分析

Mises 应力场分析

C 0=15b 、后角A 0=15b 、螺旋角B =30b ,直mm 的硬质合金立铣刀 …… 此处隐藏：7872字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……