基于ABAQUS的钛合金切削技术研究

【前言】基于ABAQUS的钛合金切削技术研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2.1 建立几何模型 在ABAQUS中有Lagrange、Euler和ALE3种算法。本文采用ALE法，采用这种方法的优点有下面两个方面，一方面通过拉格朗日定义边界，另一方面利用欧拉方法解决网络畸变问题。 在ABAQUS/CAE中建立二维模型，设定刀具的几何参数为：前角=12o，后角=9o，工件...

摘要：运用有限元分析软件对YG8切削Ti6Al4V钛合金的过程进行有限元仿真。分析了建立有限元模型时的关键技术，研究了切削的应力变化过程，并对切削速度、切削深度和刀具前角对切削力的影响进行了分析，可为钛合金的切削技术的研究提供参考。

关键词：Ti6Al4V 切削速度 切削力 切削深度

1引言

钛合金由于它具有热强度高、比强度高、抗腐蚀性好、低温性好、化学活性高、导热系数小、弹性模量小等一系列优异的特性，被广泛地用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。但是由于钛合金的切削存在变形系数小、切削温度高、单位面积上的切削力大、冷硬现象严重、刀具易磨损等缺点，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。钛合金切削加工的优化设计就成为必然，计算机技术的发展推动了金属切削加工模拟技术的进步。有限元法应用于加工过程的模拟，具有动态性、高度非线性等特点。正确的仿真过程能够仿真出真实的实验过程，且节约成本，节省大量的实验时间。本文利用abaqus软件建立钛合金的正交切削有限元模型，对YG8硬质合金刀具切削Ti6Al4V的过程进行分析。

2有限元模型

2.1 建立几何模型

在ABAQUS中有Lagrange、Euler和ALE3种算法。本文采用ALE法，采用这种方法的优点有下面两个方面，一方面通过拉格朗日定义边界，另一方面利用欧拉方法解决网络畸变问题。

在ABAQUS/CAE中建立二维模型，设定刀具的几何参数为：前角=12o，后角=9o，工件取长15mm，高7mm的矩形。在进行切削力的仿真分析时，工件设置为变形体，考虑刀具在X和Y方向上的受力情况，需要设定刀具为刚体，刀具从右向左以一定的速度切入工件。

2.2 材料模型

钛合金的切削过程是一种高温、大应力和大应变速率的情况下发生弹塑性应变的过程，综合多种因素考虑采用Johnson-Cook模型来进行仿真。其中Johnson-Cook公式如下式所示：

仿真过程中所需要Ti6Al4V的所有材料参数见表一、表二、表三。

2.3 网格划分

划分网格对仿真结果是非常重要的一步，切削是一种非线性非常强的本构关系，网格过于粗糙，会造成结果不收敛，但是如果划分的过于密集会增加太多的计算时间。因此划分网格要保持一定的梯度，本仿真过程中，前刀面的中点、后刀面的中点以及刀尖所围成的面积划分的密集，而远离刀尖的那部分则划分的相对稀疏一点。工件材料的被切削部分要划分得密集，即刀尖的水平线之上的工件材料划分的比较密集，网格划分的如图一：

2.4 接触与加载

对于切削来讲，一般都是固定工件下部分和左边，再让刀具以一定的速度从右向左切削，刀具与工件在装配的时候要充分的接近，太远容易产生振动，太近又会发生干涉，这样都会影响仿真结果，定义刀具速度的时候必须采用幅值的方式，使整个切削速度逐渐加载到定义的速度。（约束与加载）

3 仿真模拟结果与分析

3.1 切削仿真过程图

在切削速度为80m/min，切削厚度为0.4mm，刀具前角12o的条件下。仿真过程如图二、三、四。切削过程分为3个阶段：①图二塑性变形阶段：刀尖和工件接触并挤压工件，使切削层发生塑性变形；②图三剪切滑移阶段：切削层受到刀具的挤压进一步加剧，当工件材料单元达到失效准则时，该单元从网格中删除，切削层和工件发生分离，材料沿切削刃向上滑移；③图四切屑形成阶段：滑移出的材料不断流出，并在刀具的挤压下产生塑性变形形成切屑。

图四为切削区域的最大等效应力随时间变化曲线图，从图中可知当刀尖接触工件时等效应力急剧增大，直至达到工件材料的屈服应力，使材料破坏，切屑和工件分离，切削稳定进行，最大等效应力在一定的范围内波动。

3.2 切削速度对切削力的影响

如图五所示，在切削厚度为0.4mm，刀具前角为12°的条件下，对不同切削速度下的仿真过程进行比较。从图中可以看出随着切削速度的增加，切削力先增大后减小，切削速度达到60m/min时切削力最大.随着切削速度的增加切削力增大主要的原因是随着切削的进行钛合金材料发生塑性变形，促进了加工硬化的产生使切削力变大，但是之后随着切削速度的增加切削力下降，这是因为切削进入高速切削状态下，切削速度增高，切削温度也增高，使钛合金材料的强度和硬度降低，发生热软化现象，也会导致切削力的降低。

3.3 切削深度对切削力的影响

如图六所示，在切削速度80m/s，刀具前角为12°的条件下，对不同切削深度下的切削力进行比较。由下图可以看出，随着切削深度的增加，切削力呈现出逐渐增加的趋势。这是由于切削深度的增大，刀屑接触面积增加。

3.4 YG8刀具前角对切削力的影响

如图七所示，在切削速度80m/s，切削深度为0.4mm的条件下，对不同刀具前角下的切削力进行比较。由下图可以看出，随着刀具前角的增加，切削力呈现出逐渐降低的趋势。这是由于刀具的前角增大，相当于刀具的刃口——楔角变得尖利、单薄，刀具在切削时就容易切进去，切削的阻力当然也会减少。但是如果刀具的楔角太尖利、单薄，刀具就会崩刃。

4结论

本文对YG8刀具切削TC4钛合金的过程进行了研究，建立了二维的切削力有限元模型，并对其中的关键技术进行了探讨。可以看出YG8切削钛合金的各个阶段的应力和塑性变形，刀具的挤压导致了切屑与工件的分离的情况，切削发生了大应力大应变并伴随有断屑现象的产生。切削速度、切削厚度和刀具前角对切削力有显著影响，其关系曲线可以为实际的钛合金切削实验在切削参数的选择提供参考。

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