论-TC4合金固体内润滑刀具干式切削性能有限元分析

２０１４年第４８卷Ｎｏ．２　ＴＣ４合金固体内润滑刀具干式切削性能有限元分析　黄健　，霍文国　，丁元法　，邵娟　，苏向东　，刘钊。　‘贵州省新材料研究开发基地；　天津市高速切削与精密加工重点实验室（天津职业技术师范大学）；　贵州恺瑞斯创新材料有限公司　

摘要：ＴＣ４（Ｔｉ一６Ａ１—４Ｖ）合金作为一种典型的难加工材料，过快的刀具磨损严重制约了其切削加工效率。本　文提出了一种充气加压式固体内润滑刀具，并采用ＡＢＡＱＵＳ软件对其切削ＴＣ４合金的加工性能进行了有限元分　析。结果表明，该刀具利用充气压力将固体润滑剂直接输送到刀具刃部，可在不使用冷却液的情况下达到冷却润　滑切削加工区，降低自润滑车刀一Ｔｃ４合金的摩擦系数的目的，对降低切削温度具有明显效果。　关键词：钛合金；有限元分析；干式切削；内润滑刀具　中图分类号：ＴＧ７４２　文献标志码：Ａ　

Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴＣ４　Ａｌｌｏｙ　Ｔｏｏｌ　ｉｎ　Ｄｒｙ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｓｏｌｉｄ　Ｉｎｔｅｎａｌ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｈｕａｎｇ　Ｊｉａｎ，Ｈｕｏ　Ｗｅｎｇｕｏ，Ｄｉｎｇ　Ｙｕａｎｆａ，Ｓｈａｏ　Ｊｕａｎ，Ｓｕ　Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ，Ｌｉｕ　Ｚｈａｏ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｄｉｆｉｃｕｌｔ—ｔｏ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＴＣ４（Ｔｉ一６Ａ１—４Ｖ）ａｌｌｏｙ　ｗａｓ　ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｃｕｔ—　ｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｗｅａｒ　ｔｏｏ　ｆａｓｔ．Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌ　ｉｎ　ｉｎｆｌａｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｔｙｌｅ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ＡＢＡＱＵＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ａｎ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｎ］ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ—ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｔｏｏｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＴＣ４　ａｌｌｏｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｌｕｂｒｉｃａｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｏｏｌ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｃｏｏｌａｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｒｙ　ｃｕｔｔｉｎｇ；ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌ　

１　引言　钛合金具有很高的强度、抗裂纹扩张能力和抗　腐蚀能力等优良性能，被广泛应用于航空航天、石油　化工、核废物储存等领域¨’　，但从加工性能的角度　看，钛合金是典型的难加工材料，主要是因为其导热　性差、化学活性高、弹性模量小、加工硬化严重等特　点，严重影响了其切削加工效率　Ｊ，因此，研发高　效、可靠的钛合金切削加工刀具，提高钛合金的加工　速度和加工效率是亟待解决的问题。　目前，国内外对钛合金加工的研究主要侧重在　先进刀具材料、刀具涂层、ＭＱＬ（Ｍｉｎｉｍａｌ　Ｑｕａｎｔｉｔｙ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）冷却润滑等方面，而较少有人对钛合金　加工中的固体内润滑刀具及其润滑减摩性能方面进　行深入研究　Ｊ。本文以ＴＣ４合金工件材料为研究　对象，提出了一种充气加压式固体内润滑刀具，基于　基金项目：国家自然科学基金（５１３０５３０１）；天津市高等学校科技发　展基金计划项目（２０１２０４０８）；天津职业技术师范大学博士启动基金　资助项目（ＫＹＱＤＩ１００４）；天津职业技术师范大学校级资助项目　（ＫＪＹ１１—０３）　收稿日期：２０１３年８月　１５　ＡＢＡＱＵＳ的有限元分析方法，对该固体内润滑刀具　在不同润滑工况下的切削加工过程进行了仿真分　析。　２　固体内润滑刀具　可充气加压内润滑刀具的结构如图１所示，由　刀片、刀体、定位垫、压板、螺栓、润滑剂通道、润滑剂　出孔等组成。其中，刀片为切削部分，刀体为支撑和　固定部分，内部设有润滑剂通道，用于实现切削加工　过程中的自润滑功能。在金属切削过程中，润滑剂　通过刀体上的内部通道经由析出微孔到达硬质合金　刀片和工件加工表面，进而改善刀片和工件表面之　问的摩擦性能，起到冷却、润滑、清洗和防锈的作用，　

螺杵＝　，Ｊ体　

图１　可充气加压固体内润滑刀具　１６　不仅降低了切削温度，提高了切削效率，还大大减少　了刀具磨损，使刀具得到了有效保护。固体内润滑　刀具的自润滑效果，可通过改变充气压力进行调节。　

３建模与方法　３．１　有限元模型的建立　本文采用ＡＢＡＱＵＳ有限元建模与分析软件，内　润滑刀具与ＴＣ４环形工件摩擦磨损仿真有限元模　型如图２所示，环形工件的尺寸：外径ｑ）１４０ｍｍ、内　径１２０ｍｍ、厚度１０ｍｍ。为分析方便，将固体内润滑　刀具简化为一扇形试块，其具体尺寸：外径１３０ｍｍ、　内径１１５ｍｍ、厚度２０ｒａｍ、圆心角为１８。。有限元网　格划分的单元类型选择热应力耦合单元Ｃ３Ｄ８ＲＴ，　网格划分后模型如图３所示。　通过设定不同的ＴＣ４环形工件一内润滑刀具　问的摩擦系数，分析工件表面的最大残余压应力和　工件表层最高温度。　图２内润滑刀具一　图３内润滑刀具一　ＴＣ４合金有限元模型ＴＣ４合金有限元网格模型　３．２材料模型及属性　在进行磨削加工时，工件材料承受高温、大应变　和大应变速率以致发生弹塑性应变，一般采用Ｊｏｈｎ—　ＳＯＩｌ—Ｃｏｏｋ本构关系模型。Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ本构关系　公式可表示为　’　Ｏ－＝　］×＿１＋ｃＩｎ（　×ｆｌ一（　（１）　式中，　、Ｂ、ｎ、Ｃ、ｍ分别为屈服应力强度、应变强化　工具技术　常数、应变强化指数、应变率强化参数和温度应变率　灵敏度。　此外，有限元分析中钛合金ＴＣ４的力学、热学　性能参数分别如表１和表２所示。　３＿３摩擦模型的选择　在内润滑刀具试块与ＴＣ４环形工件之间的接　触面上，存在粘结区和滑移区，分别对应两种不同的　摩擦机理。在切削加工过程中，刀具与工件相互挤　压，切削温度急剧升高，且由于磨削环境相对封闭，　热量不易散出，工件表层处于塑性变形状态，当切削　切应力超过最大剪应力时，切削层下层产生撕裂，该　区域的摩擦属于切削内摩擦。在刀具未直接作用的　区域，由于散热较快，切削温度较低，该接触区的摩　擦属于内润滑刀具与工件间的滑动摩擦。通过在不　同的接触点处比较摩擦剪应力　与最大剪应力丁　的大小，决定节点是否属于粘结摩擦区。当　，＞ｒ　时，单元节点位于粘结摩擦区，否则位于滑动摩擦　区　。　３．４计算方法与边界条件设置　针对内润滑刀具与环形ＴＣ４合金工件问摩擦　生热及法向恒力作用产生的残余压应力，采用两步　分析法，第一步中对内润滑刀具试块施加恒定压力，　使内润滑刀具试块与工件之间保持稳定的接触摩擦　关系，第二步使内润滑刀具试块与工件发生相对转　动。两步中均采用显式动力学热应力耦合分析，并　选用ＡＢＡＱｕｓ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ分析模块对恒力摩擦磨损问　题中的温度场和应力场进行模拟。　计算过程中，限制工件材料外侧边界的　和ｙ　方向的位移，内润滑刀具试块从顺时针切削工件材　料，其切削速度作为直接输入参数，内润滑刀具与工　件之间的摩擦性能通过设置不同的摩擦系数来　改变。　

４结果与分析　在加载压力Ｆ：３５０Ｎ、工件转速ｎ＝２５００ｒｐｍ、　内润滑刀具试块一Ｔｃ４合金环形工件间摩擦系数为　

表１钛合金ＴＣＡ的力学物理性能　

表２钛合金ＴＣＡ的热性能　线膨胀率（ｍ／ｍ・ｑＣ）　２Ｏｃｃ　２５０ｃｃ　５００　比热　热导率（Ｗ／ｍ・Ｋ）　

（Ｊ／ｋｇ・℃）　２０ｃｃ　２００ｃｃ　５００９Ｃ　熔点（℃）　ｌ８　基于Ａｂａｑｕｓ的砂带磨削单磨粒建模与仿真　工具技术　

张梦元，杨文玉，朱大虎，张海洋　华中科技大学；数字制造装备与技术国家重点实验室（华中科技大学）　摘要：对砂带磨削中单颗磨粒磨削过程进行了分析与建模，并利用Ａｂａｑｕｓ软件对具有不同负前角、切削速度　与切削深度的单磨粒磨削过程中磨削力和温度的变化进行了仿真。分析结果表明，随着磨粒前角以及磨削深度的　增大，磨削力和磨削温度都会增大。当磨削厚度达到一定程度时，将会出现锯齿型切屑，而切削速度对切向力影响　较小。　关键词：单磨粒；负前角切削；Ａｂａｑｕｓ仿真　中图分类号：ＴＧ７４　文献标志码：Ａ　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ａｂｒａｓｉｖｅ　Ｇｒａｉｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｂａｑｕｓ　Ｚｈａｎｇ　Ｍｅｎｇｙｕａｎ，Ｙａｎｇ　Ｗｅｎｙｕ，Ｚｈｕ　Ｄａｈｕ，Ｚｈａｎｇ　Ｈａｉｙａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｇｒａｉｎ，ａｎｄ　ｂｕｉｌｄ　ｕｐ　ｔｈｅ　ＦＥＡ　ｍｏｄｅｌ，　ｔｈｅｎ　ｗｅ　ｕｓｅ　ａｂａｑｕｓ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒａｋｅ　ａｎｇｌｅｓ，ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉｅｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄｓ　ａｎｄ　ｄｅｐｔｈｓ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｍａｎｉｆｅｓｔ　ｔｈａｔ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｒａｋｅ　ａｎｇｌｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｃｕｔ，ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｉｌｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｍ—　ｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｃｕｔ　ｒｅａｃｈｅｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｌｅｖｅｌ，ｓｅｒｒａｔｅｄ　ｃｈｉｐｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｇｒａｉｎ；ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒａｋｅ　ａｎｇｌｅ；Ａｂａｑｕｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ