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硬质合金刀具钻削钛合金材料的温度场研究

2024-09-30 74 上传者：管理员

摘要：钛合金由于有着低比强度和优异的耐腐蚀性，其在化学、医疗、汽车和航空航天工业中有多种用途，但同时钛合金也是一种非常难加工的材料，切削温度高是其加工过程中最显著的特征之一，对零件服役性能与可靠性有着至关重要的影响。为此，本研究借助Deform-3D有限元仿真软件，对钛合金钻削过程进行了仿真，得到了钻削温度场的分布特征，并分析了钻削参数对切削温度的影响规律，为工程实践提供了有价值的参考依据。

关键词：
Deform-3D
温度场
钛合金
钛合金加工技术
钻削
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钛合金是一种因其轻量化、高强度和良好的耐腐蚀性而备受青睐的材料，广泛应用于航空航天和生物医学领域[1]。然而，钛合金的高强度也使得在其表面进行钻孔变得具有挑战性，主要问题之一是加工钛合金材料过程中的刀具温度升高[2],可能会产生切屑瘤等加工缺陷，从而导致钛合金材料的质量损失和工具寿命的缩短[3]。因此，本研究旨在分析钛合金钻孔过程中的温度场，对抑制刀具磨损、提高制孔质量有着重要意义[4]。

本研究采用Deform-3D软件，以其优越的有限元分析能力，对钛合金钻削过程中的温度场进行建模与仿真[5],以深入理解加工过程中的热力学行为，为优化钛合金钻削过程提供新的理论和方法支持[6],推动钛合金加工领域的技术进步，同时为相关行业的工程师和研究人员提供深入认识和指导意见，促进钛合金加工技术的发展[7]。

1、仿真模型的建立

1.1 仿真几何模型

麻花钻模型通过第三方软件建模完成后直接导入Deform软件中，根据麻花钻的尺寸标准，采用直径为5mm的麻花钻，其网厚度为1.08mm, 螺旋角为30°,顶角为118°[8]。

工件模型的建立采用软件自带的建模功能，通过输入圆柱体直径和厚度来自动生成工件模型，为减小计算成本，设置工件直径为15mm, 厚度为2.5mm。

1.2 网格划分

Deform-3D提供了强大的适应性网格划分工具，使用户能够根据模拟区域的特性自动调整网格的密度。这意味着在高温或高应力区域，可以实现更细致的网格划分，而在对仿真结果没有太大影响的区域，可以采用相对较粗的网格[9]。

在本研究的仿真中，刀具设置为刚体，采用相对法划分网格，网格数量设置为20000个。工件采用绝对法，为了产生较好的切削效果，设置最小单元尺寸为进给量的50%,尺寸比表示最大单元尺寸和最小单元尺寸的比值，默认为7。

1.3 材料属性的设置

钻头材料为WC硬质合金，直接选用Deform-3D软件的材料库中的WC材料。工件材料为钛合金(Ti-6Al-4V),其主要性能参数如表1所示。

表1 钛合金主要性能参数

参数弹性模量(GPa)泊松比密度(g/cm3)熔点(℃)热导率(W/mK)

数值 105 0.30 4.66 1490～1620 7.0(20℃)

钛合金的本构方程采用Johnson-Cook(J-C)模型，J-C模型充分考虑了温度、高应力-应变速率对材料本构模型的影响，其表达式如下：

其中，A、B、C、m、n为J-C本构方程最主要的五个参数，其含义和数值如表2所示[9]。

表2 钛合金J-C模型参数

1.4 边界条件及接触的设定

在Deform软件中进行仿真时，合理的边界条件和接触设置是确保仿真准确性和可靠性的关键因素。以下是在模拟中所采用的边界条件和接触设定的详细说明：

将工件完全固定后，设置边界条件，主轴转速为400RPM,进给量为0.1mm/r, 钻孔深度为2.5mm。

定义接触条件时要设置接触面的摩擦系数、热传导系数，以及刀具的磨损模型。将摩擦种类设定为剪切摩擦，摩擦系数定为0.6,热传导系数为45,另外，设置热对流系数为0.02N/sec/mm/c, 环境温度为20℃,变形和温度求解器均为共轭梯度求解，采用直接迭代方法[10]。

为了研究钻削参数对钻削温度的影响规律，主轴转速设置为400RPM、600RPM和800RPM三个水平，进给量设置0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r三个水平进行仿真实验。

2、仿真结果与分析

2.1 钻削温度场的分布特点

如图1、图2所示为800RPM下钻头行程为1.25mm、2mm时钻孔的等温曲线图。由图可知，钻削温度在轴向剖面内成“M”形分布，钻削温度会随着钻头进程的增加而逐渐增大。温度最高的地方是主切削刃与工件的接触表面，越靠近这个区域温度越高。这是因为在刀具的切削作用下，金属在剪切区发生塑性变形，这是产生切削热的重要原因之一。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也会产生大量的切削热，导致温度升高。而横刃与工件的接触表面的温度较低，这是因为在钻孔时，横刃的作用是为了提供支撑，减轻主切削刃的负担。它通常设计成较小的切削刃，减少与工件的直接接触，从而降低切削力，减少摩擦。从图中也可以看出切屑带走了大量的切削热量；通过上述仿真结果也可看出仿真结果接近真实加工。

图1 钻头行程为1.25mm时钻孔的等温曲线图

图2 钻头行程为2mm时钻孔的等温曲线图

2.2 钻削参数对钻削温度的影响规律

图3所示为进给量为0.1mm/r下主轴转速分别为400RPM、600RPM、800RPM时的温度场图；图4为600RPM下进给量分别为0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r时的温度场图。

图3 进给量为0.1mm/r下主轴转速分别为400RPM、600RPM、800RPM时的温度场图

图4 600RPM下进给量分别为0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r时的温度场图

图5为进给量为0.1mm/r下，钻孔温度随主轴转速的变化趋势，图6为主轴转速为600RPM下，钻孔温度随进给量的变化趋势。

图5 钻孔温度随主轴转速的变化趋势

图6 钻孔温度随进给量的变化趋势

由图3、图5可知，在进给量为0.1mm/r, 主轴转速为400RPM、600RPM、800RPM下，钻头开始工作1s时，钻孔温度分别为197℃、277℃、406℃,随着主轴转速的增加，相应的工件切削区的温度也呈增加趋势。首先，这是因为主轴转速越大，意味着钻头与工件之间的相对运动更为迅速，单位时间内，钻头切削刃钻削次数增多，做功多，产生的热量也越多；其次，切削与刀具前面、刀具后面与工件接触摩擦次数也增多，再加上钛合金本身导热系数低，热量不能及时散去，产生的热量都积累在钻屑和刀具之间，从而提高了制孔位置处的温度。

由图4、图6可知，在主轴转速为600RPM,进给量分别为0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r下，钻头开始工作1.5s时，钻孔温度分别为373℃、564℃、663℃,随着进给量的增加，相应的工件切削区的温度也呈增加趋势。虽然在主轴转速不变的情况下，随着进给量的增加，摩擦的距离变短，产生的热量变少，但是进给速度的增加会导致更大的热输入，刀具在更短的时间内完成相同的钻孔深度，这会使切削区域的温度上升。此外，进给速度的改变会影响切削力，高进给速度会增加切削力，而更大的切削力会导致刀具与工件之间的摩擦和热量的增加。故虽然由于摩擦距离的缩短，产生的热量减少，但总产热是增多的。所以，进给量越大，工件切削区的温度越高。

3、结论

本研究通过Deform-3D有限元仿真软件，模拟了WC硬质合金钻头钻削钛合金(Ti-6Al-4V)的过程，得到了钻削温度场分布特征，并探讨了钻削过程中主轴转速和进给量对温度场的影响规律及原因。仿真结果表明在制孔时温度会随着钻头进程的增加而逐渐增大，而且转速和进给量对温度场有显著影响，随着转速和进给量的增加，钻头在切削和摩擦过程中产生的热量也随之增加，导致温度场的温度升高。因此，在实际钻削钛合金材料过程中，为避免刀具温度过高导致切屑瘤等加工缺陷产生，需选择合适的转速和进给量对其进行加工，以保证钻削效果，提高钻孔质量。

参考文献:

[1]陈国琳,吴鹏炜,冷文军,等.钛合金的发展现状及应用前景[J].舰船科学技术,2009,31(12):110-113.

[2]霍东兴,梁精龙,李慧,等.钛合金研究及应用进展[J].铸造技术,2016,37(10):2065-2066,2080.

[3]刘世锋,宋玺,薛彤,等.钛合金及钛基复合材料在航空航天的应用和发展[J].航空材料学报,2020,40(3):77-94.

[4]张利军,申伟.钛合金材料的钻孔技术分析[J].工具技术,2014,48(6):69-71.

[6]曹妍妍,赵登峰.有限元模态分析理论及其应用[J].机械工程与自动化,2007(1):73-74.

[7]施志辉,冯立伟.麻花钻三维建模及切削刃几何参数研究[J].机械制造,2017,55(06):62-65.

[9]李会文,皮云云.Ti6Al4V钛合金超声振动车削加工效果的有限元仿真分析[J].工具技术,2022,56(6):83-88.

[10]马未未,曹岩,付雷杰,等.基于DEFORM的高强度钢钻削仿真分析[J].工具技术,2018,52(9):78-84.

基金资助:国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金项目的资助,资助课题编号:COMAC-SFGS-2021-606;

文章来源:易守华,苏凡珈,郝卫昭,等.硬质合金刀具钻削钛合金材料的温度场研究[J].科技风,2024,(28):1-3.