激光增材制造TC4鈦合金銑削溫度特性研究:基于仿真與試驗(yàn)的切削參數(shù)優(yōu)化分析

引言

激光增材制造 TC4 鈦合金不僅能有效解決精密結(jié)構(gòu)件和重要零部件的輕量化和高性能要求，而且也提高了生產(chǎn)制造過(guò)程的精密化程度。然而，一些精密零部件無(wú)法直接在激光增材制造環(huán)節(jié)獲得足夠的加工精度及表面質(zhì)量，需要進(jìn)一步切削加工，而加工過(guò)程中關(guān)于銑削溫度的研究對(duì)刀具壽命、工件表面質(zhì)量及加工精度具有重要意義。因此，為滿足零件的技術(shù)要求，針對(duì)增材制造的鈦合金銑削特性研究顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)非增材制造鈦合金等材料的切削特性研究較多。邵明輝等 [1] 采用單因素法分析了切削參數(shù)對(duì) TC4 鈦合金切削溫度和切削振動(dòng)的影響。劉杰等 [2] 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AlCrSiN 涂層硬質(zhì)合金車刀在切削 Ti-6Al-4V 鈦合金時(shí)，涂層刀具溫度低于未涂層刀具的溫度。趙甘霖等 [3] 通過(guò) DEFORM-3D 軟件仿真發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)加工鈦合金可以降低平均切削溫度。Kadam B. J. 等 [4] 研究銑削溫度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，為獲得最低切削溫度，使用 GA 算法對(duì)鈦合金切削溫度的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化。王沁軍等 [5] 基于鈦合金加工特性進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，在高速銑削條件下針對(duì)切削力提出工藝參數(shù)的優(yōu)選方法。Lee W. J. 等 [6] 研究切削溫度預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)在端面銑削鈦合金過(guò)程中進(jìn)給量對(duì)切削溫度影響最大。董登科等 [7] 通過(guò)優(yōu)化成形工藝參數(shù)使 SLM 成形 TC4 鈦合金的表面粗糙度達(dá)到 5.57~8.05 μm。丁志恒等 [8] 通過(guò)仿真軟件模擬鈦合金車削過(guò)程，結(jié)合切削熱分配的解析法，得出切削熱分配系數(shù)與切削速度的變化成正比，與切削深度的變化成反比。劉亞軍等 [9] 建立鈦合金 / CFRP 熱傳遞模型，對(duì)螺旋銑孔界面切削溫度的變化進(jìn)行研究。趙先鋒等 [10] 使用有限元軟件研究了 TC4 鈦合金切屑形成過(guò)程以及切削速度與切屑形貌、剪切帶之間的關(guān)系。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式或切削試驗(yàn)等方法，針對(duì)非增材制造鈦合金的切削加工過(guò)程進(jìn)行了一些研究。而增材制造層狀結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的材料力學(xué)性能各向異性及鈦合金低導(dǎo)熱性疊加增材組織的非均勻散熱特性等問(wèn)題與非增材制造鈦合金有所差異，因此，有必要對(duì)增材制造鈦合金銑削溫度進(jìn)行研究和分析。本文采用仿真和切削試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)激光增材制造 TC4 鈦合金的銑削加工過(guò)程的切削溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究，為進(jìn)一步探究其切削加工特性提供一定的理論基礎(chǔ)。

2、激光增材制造 TC4 鈦合金銑削仿真

2.1 建立刀具幾何模型

硬質(zhì)合金具有較高的紅硬性，高溫下硬質(zhì)合金刀具可以保持較好的切削能力，能夠更好地在干切削條件下達(dá)到銑削激光增材制造鈦合金的目的，因此采用四刃硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)激光增材制造 TC4鈦合金進(jìn)行銑削，刀具的幾何參數(shù)如表 1 所示。仿真中刀具實(shí)體模型通過(guò) UG 軟件建模并裝配，刀具建模如圖1所示。

表 1 刀具幾何參數(shù)

2.2 銑削仿真模型及方案

工件采用 TC4鈦合金粉末作為原材料，通過(guò)激光燒結(jié)成形技術(shù)制備，其物理力學(xué)性能［11］如表 2所示。采用Johnson-Cook本構(gòu)模型［12］對(duì)激光增材制造TC4鈦合金銑削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，表達(dá)式為

式中，σ為流動(dòng)應(yīng)力；A為試驗(yàn)材料屈服應(yīng)力；B為應(yīng)變硬化系數(shù)；ε為等效應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率敏感系數(shù)；ε為等效應(yīng)變率；ε0 為參考應(yīng)變 率；T* 為無(wú)量綱溫度；T 為試驗(yàn)溫度；T0為參考溫度（室溫）；Tm為試驗(yàn)材料的熔點(diǎn)；m為溫度敏感系數(shù)。

表 2 TC4 鈦合金的物理力學(xué)性能（室溫）

在使用 J-C 模型時(shí)，應(yīng)對(duì)材料各向同性應(yīng)變硬化準(zhǔn)則作出假設(shè)，其主要考慮了應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率及溫度的耦合關(guān)系，并未考慮材料的彈性變形。該靜態(tài)試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，T0 = 30 ℃。針對(duì)A，B，C，m和 n，需要進(jìn)行求解分析，相應(yīng)本構(gòu)模型參數(shù)［11］如表3所示。

表 3 本構(gòu)模型參數(shù)

采用三因素四水平正交試驗(yàn)對(duì)銑削增材制造TC4 鈦合金的銑削溫度進(jìn)行分析，選取銑削寬度（10 mm）為固定值，選取切削速度、銑削深度和每齒進(jìn)給量為試驗(yàn)因素，結(jié)合實(shí)際加工選取 4 個(gè)水平進(jìn)行銑削仿真和切削試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表如表4所示。

表 4 正交試驗(yàn)因素水平

選擇DEFORM軟件進(jìn)行銑削加工過(guò)程仿真，將工件設(shè)為塑性體，劃分網(wǎng)格數(shù)目為 60 000，并加入網(wǎng)格窗，使工件在窗口內(nèi)的網(wǎng)格劃分更為精細(xì)。將銑刀設(shè)為剛性體，刀具網(wǎng)格數(shù)目劃分為 40 000。工件和銑刀的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖3所示為仿真銑削過(guò)程中銑削溫度場(chǎng)的分布情況。可以看到，與刀尖接觸的切屑根部出現(xiàn)銑削仿真過(guò)程的最高溫度。隨著銑削溫度不斷升高，與切屑接觸的刀具前刀面也受到銑削溫度升高帶來(lái)的影響，進(jìn)而引起刀具前刀面溫度升高。此外，銑削過(guò)程中刀具使材料產(chǎn)生塑性變形引起劇烈摩擦，切屑產(chǎn)生時(shí)，摩擦主要發(fā)生在刀尖刃口區(qū)以及前刀面，應(yīng)變的產(chǎn)生以及應(yīng)變率的變化會(huì)造成該區(qū)域在高速銑削下發(fā)生劇烈摩擦，產(chǎn)生較高的溫度。

2.3 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)銑削過(guò)程仿真得到不同切削用量下的銑削溫度變化數(shù)據(jù)，如表5所示。

表 5 銑削溫度仿真結(jié)果

表 6 所示為銑削溫度仿真的極差分析結(jié)果，通過(guò)分析極差 R值，得出切削用量對(duì)銑削溫度影響程度為切削速度vc > 銑削深度ap > 每齒進(jìn)給量fz，銑削激光增材制造鈦合金的最優(yōu)參數(shù)選擇為 vc1ap1fz1，即切削速度vc = 55 m/min，銑削深度ap = 0. 3 mm，每齒進(jìn)給量fz = 0. 04 mm/z。

表 6 銑削溫度極差分析結(jié)果

3、銑削激光增材制造 TC4 鈦合金試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及方案

試驗(yàn)機(jī)床為 VMC850E 加工中心，試驗(yàn)刀具選擇與仿真相同的硬質(zhì)合金四刃立銑刀，其參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)工件采用SLM激光增材制造（原材料為球形 TC4 鈦合金粉末）的 TC4 鈦合金。采用 Tix660紅外熱像儀測(cè)量銑削過(guò)程中的刀具及工件溫度，該熱像儀的量程為40 ℃ ~ 1 200 ℃。銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

銑削試驗(yàn)所用的切削用量與銑削仿真一致，通過(guò)正交試驗(yàn)法與單因素試驗(yàn)法進(jìn)行研究分析，銑削試驗(yàn)正交參數(shù)表如表7所示。

表 7 銑削試驗(yàn)正交參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以切削速度55 m/min、銑削深度0. 3 mm和每齒進(jìn)給量 0.04 mm/z 為仿真最優(yōu)參數(shù)，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)方案。通過(guò)紅外測(cè)溫儀將試驗(yàn)所采集到的銑削溫度導(dǎo)入SmartView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖5和圖6所示。去除兩組最大值和兩組最小值，求得平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表8所示。

表 8 銑削溫度試驗(yàn)結(jié)果

表 9 所示為對(duì)試驗(yàn)所得銑削溫度進(jìn)行極差分析的數(shù)據(jù)表，可得切削速度 55 m/min、銑削深度0. 3 mm、每齒進(jìn)給量 0. 04 mm/z 為本試驗(yàn)最佳的切削參數(shù)組合，與仿真結(jié)果一致。

表 9 試驗(yàn)所得銑削溫度的極差分析

如圖 7 所示，將仿真與試驗(yàn)銑削溫度進(jìn)行對(duì)比分析，得出數(shù)據(jù)的最大誤差為 3. 2%，在允許的范圍內(nèi)，證實(shí)了仿真數(shù)據(jù)的可靠性，說(shuō)明仿真模型具有合理性。

4、結(jié)論

（1）通過(guò)銑削激光增材制造 TC4鈦合金的仿真和試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析后，可得切削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響順序?yàn)榍邢魉俣?> 銑削深度 > 每齒進(jìn)給量。

（2）在所研究的切削參數(shù)范圍中，銑削溫度最小時(shí)的切削參數(shù)組合如下：切削速度為 55 m/min、銑削深度為0. 3 mm和每齒進(jìn)給量為0. 04 mm/z。

（3）對(duì)比仿真與試驗(yàn)的銑削溫度數(shù)據(jù)，得出仿真與試驗(yàn)最大相對(duì)誤差為 3. 2%，證實(shí)了仿真數(shù)據(jù) 的可靠性，證明仿真模型具有可行性。

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基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)理工大學(xué)國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目（SYLUGFTD202102）

收稿日期：2024 年 4 月

第一作者：胡錦淵，碩士研究生，沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，110159 沈陽(yáng)市

First Author：Hu Jinyuan，Postgraduate，School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China

通信作者：金成哲，教授，沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，110159 沈陽(yáng)市

Corresponding Author：Jin Chengzhe，Professor，School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China