基于ABAQUS的鎢鉬合金銑削加工參數優化仿真及驗證
鎢鉬合金屬于難加工材料，加工成本高、加工效率低且刀具磨損嚴重，利用ABAQUS有限元分析軟件，建立鎢鉬合金三維銑削模型，針對不同切削參數，研究在銑削鎢鉬合金過程中產生的切削力和切削溫度的變化規律，并通過銑削試驗對仿真模型的有效性進行了驗證。通過正交試驗得到最優切削參數組合，即切削速度vc＝60m/s，背吃刀量ap＝3mm，每齒進給量fz＝0.16mm/z。
1序言
鎢、鉬在我國儲量豐富且分布廣泛，鎢和鉬同屬元素周期表中ⅦB族元素，是典型的高熔點金屬。由于鎢鉬合金具有比純鉬更高的熔點、比純鎢更低的密度，結合了鎢、鉬優點，既具有金屬鎢高強度的特性和優異的耐高溫性能，又具有鉬超強的耐腐蝕和抗燒蝕性能[1]，因此正成為航空航天領域的重要材料，可用于火箭發動機噴管以及燃氣輪機的關鍵部件，并且在未來的工業領域具有更廣泛的應用前景。
為了研究鎢鉬合金切削原理，學者進行了大量研究工作。羅正川[2]等使用硬質合金刀具切削鎢基合金時，刀具磨損極為迅速，導致硬質合金刀具失效的主要磨損形式是在主后刀面和副后刀面交會處出現的三角形磨損區。刀具磨損的主要原因是硬質點引起的機械磨損，而硬質合金中粘結劑鈷的擴散則加速了刀具的磨損。葉毅[3]等在切削鎢基合金時，發現細晶粒或超細晶粒及表面有耐磨涂層的WC基硬質合金刀具壽命較短，因此使用WC基硬質合金對鎢及其合金進行切削加工是不經濟的。復合陶瓷刀具不適合用來切削高鎢合金材料，PCD金剛石刀具壽命與WC基硬質合金相比并無明顯提高。鎢及其合金材料最好采用PCBN刀具且用CBN含量較多的牌號（如DBC80）來加工，這樣可獲得較好的經濟效益。
ABAQUS有限元分析軟件是金屬切削加工仿真的常用軟件，具有強大的非線性分析功能，可以實現熱力耦合。鎢鉬合金屬于難加工材料，其加工成本高、加工效率低且刀具磨損嚴重，因此，本文使用ABAQUS有限元分析軟件，建立鎢鉬合金三維銑削模型，針對不同切削參數，研究在銑削鎢鉬合金過程中產生的切削力和切削溫度的變化規律，最后通過正交試驗獲得最優的銑削參數組合，以此為實際銑削加工提供參考。
2鎢鉬合金有限元建模
2.1 刀具幾何模型
仿真使用硬質合金標準4刃立銑刀，規格見表1。利用SolidWorks三維建模軟件生成銑刀模型，如圖1所示。由于本文研究目的是分析在不同的銑削參數下切削力和切削溫度的變化規律，同時考慮到刀具的主切削刃相對于工件小得多，因此在ABAQUS有限元分析中假設刀具是剛體，不考慮刀具變形和磨損，刀具的物理參數見表2。
圖1 銑刀模型
表2 刀具物理參數
2.2 鎢鉬合金材料本構模型
本文的仿真工件材料為鎢鉬合金，主要物理和力學性能參數見表3[4]。
表3 鎢鉬合金材料物理參數
在金屬切削加工過程中，多數情況下材料是在高溫、高應變和高應變速率的情況下發生彈塑性變形的，所以要建立合理的材料模型，也是模擬成功的關鍵步驟。本文材料模型采用Johnson-Cook本構模型，可反映出材料的應變硬化效應、應變強化效應和熱軟化效應，其形式為
式中，σ為流動應力（MPa）；ε為塑性應變；ε0為參考應變率；T為溫度（℃）；Tr為室溫（℃）；Tm為材料熔點（℃）；A、B、C、m、n為材料參數，數值見表4[5]。
表4 鎢鉬合金材料Johnson-Cook本構模型參數
2.3 接觸和邊界條件
創建一個接觸屬性，由于仿真過程中將刀具視為剛體，所以需要再創建一個剛體約束。在初始分析步下創建一個邊界條件，約束工件側面的所有自由度，刀具需要約束4個自由度，并設置繞Z 軸的旋轉及移動，其中轉動速度為主軸轉速，移動速度為進給速度。創建預定義溫度場，定義工件的溫度為298K。
2.4 網格劃分
網格劃分質量對有限元模擬結果影響較大，因此對模型進行網格劃分時，首先應選用合適的網格單元類型，其次要綜合考慮精度和成本，合理地控制網格密度。網格越密則模擬結果精度越高，但會導致計算成本的增加。刀具網格和工件網格最小尺寸均取0.02mm，分別對刀具和工件進行均勻網格劃分。刀具結構復雜，采用四面體非獨立結構性網格，類型為C3D10MT，刀具網格為74400個單元。工件采用六面體結構性網格，工件網格為26250個單元，工件網格類型為C3D8RT。劃分網格后的刀具和工件分別如圖2、圖3所示。
圖2 刀具網格
圖3 工件網格
2.5 模型求解
采用ABAQUS/Explicit進行模型計算，分析步的類型選擇動態顯式熱-力耦合分析步。計算完成后可以通過ABAQUS后處理模塊進行結果的查看和分析。銑削模擬結果如圖4所示。
圖4 銑削模擬結果
3仿真正交試驗
3.1 試驗設計
本試驗主要研究在銑削鎢鉬合金過程中切削速度vc、背吃刀量ap和每齒進給量fz對切削力、切削溫度的影響，因此設置三因素四水平正交表（見表5），即以vc、ap和fz為自變量。令切削寬度ae＝1mm，最小切削力F 和最低切削溫度T 為響應量[6]。根據正交試驗表選擇原則，采用L16正交表，試驗安排及結果見表6。
表5 正交因素與水平
表6 正交試驗結果
3.2 有限元模擬結果分析
針對正交試驗結果采用極差R 法分析，極差是指各水平指標對應的最大值與最小值之差。極差分析法簡稱R 法，是分析正交試驗結果最常用的方法，此法包含計算和判斷兩模塊，可以求出試驗因素的主次、優水平和因素最優組合[7]。R 法的原理是通過計算各列數值的極差進行對比，極差越大，就證明該因素對結果的影響程度越大，則為主因素，再通過直觀分析法對結果進行分析。以最小切削力F為指標，試驗結果分析見表7，表中K1、K2、K3和K4分別為各影響因素每個水平下試驗結果的和，k1、k2、k3和k4分別為對應的平均值。
表7 指標F 試驗結果分析 （單位：N）
從表7可得出結論：背吃刀量和每齒進給量對切削力影響較大，影響主次為B＞C＞A，故指標F優選方案為B1C2A2，即切削速度vc為60m/s，每齒進給量fz為0.16mm/z，背吃刀量ap為2mm。以最低切削溫度T為指標，試驗結果分析見表8。
表8 指標T試驗結果分析 （單位：K）
從表8可以得出：切削速度和背吃刀量對切削溫度影響較大，影響主次為A＞C＞B，故優選方案為A1B12C4，即切削速度vc為50m/s，每齒進給量fz為0.16mm/z，背吃刀量ap為4mm。
4鎢鉬合金銑削試驗及模型驗證
4.1 試驗設計
為驗證鎢鉬合金銑削試驗有限元模型的有效性，使用數控加工中心JOHNFORD-VMC-850進行銑削加工，刀具選用硬質合金標準4刃立銑刀（見圖5）。
圖5 銑刀
工件板料尺寸為150mm×130mm×45mm，為了將工件固定在測力儀上，在銑削前先在工件上加工安裝孔，采用φ8.6mm鎢鋼鉆頭打孔，再通過圓柱頭內六角頭螺栓M8進行固定。試驗使用KISTLER9257b三向測力儀進行切削力測量，利用壓板將測力儀固定在機床工作臺上，使用紅外測溫儀測量切削溫度。測力儀與工件的固定如圖6所示，測力測溫過程如圖7所示。
a）加工安裝孔
b）測力儀固定
圖6 測力儀與工件的固定
a）切削力測量
b）切削溫度測量
圖7 測力測溫過程
選擇3組切削參數進行試驗，切削力、切削溫度的模擬值、實測值以及誤差見表9、表10。從表9、表10中可以看出，模擬結果的最大誤差是15.6%，在20%之內，因此試驗結果滿足工程應用要求。
表9 切削力的模擬值、實測值以及誤差
表10 切削溫度的模擬值、實測值以及誤差
5結束語
本文使用ABAQUS有限元分析軟件，建立鎢鉬合金三維銑削模型，針對不同切削參數，研究在銑削鎢鉬合金過程中產生的切削力和切削溫度的變化規律，通過正交試驗獲得最優的銑削參數組合，為實際銑削加工提供參考。得到的結論如下。
1）背吃刀量ap和每齒進給量fz對切削力F影響較大，影響主次為B＞C＞A，故切削力F優選方案為B1C2A2，即vc＝60m/s，fz＝0.16mm/z，ap＝2mm。
2）切削速度vc和背吃刀量ap對切削溫度T影響較大，影響主次為A＞C＞B，故切削溫度T優選方案為A1B1C4，即vc＝50m/s，fz＝0.16mm/z，ap＝4mm。
3）綜合考慮實際加工中切削效率及效益問題，得到最優的工藝參數組合，即vc＝60m/s，fz＝0.16mm/z，ap＝3mm。
參考文獻：
[1] 趙先存，鄭魯. 我國鎢鉬合金鋼的發展及成就[J]. 中國鎢業，1989（11）：7-10.
[2] 羅正川，陳望和. 硬質合金在鎢合金切削中的應用[J].硬質合金，1990（4）：44-48.
[3] 葉毅，葉偉昌. 鎢合金的切削加工[J]. 世界制造技術與裝備市場，2006（4）：89-90.
[4] 杜強非，許兆一，李月英. 2005亞洲國際過程自動化技術與裝備展覽會論文集[C]. 北京：《制造業自動化》雜志社，2005.
[5] 葉作亮. 鎢鉬合金動態力學性能研究[D]. 成都：西南石油學院，2003.
[6] ROMAIN P, GA?L L C, MICHA?L F, et al. A model of micro-milling cutting forces based on micro-cutting experiments including tool eccentricity and deflection[J]. Matériaux & Techniques, 2022, 110（6）：601.
[7] 徐德凱，王麗潔，史衛朝，等. 基于ABAQUS的高速切削銑削力的有限元分析與研究[J]. 制造業自動化，2015，37（9）：12-15.
來源：金屬加工
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