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(yán)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(shù)，研究在銑削鎢鉬合金過程中產(chǎn)生的切削力和切削溫度的變化規(guī)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(yōu)切削參數(shù)組合，即切削速度v_c＝60m/s，背吃刀量a_p＝3mm，每齒進給量f_z＝0.16mm/z。

序言

1

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(jié)合了鎢、鉬優(yōu)點，既具有金屬鎢高強度的特性和優(yōu)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(lǐng)域的重要材料，可用于火箭發(fā)動機噴管以及燃氣輪機的關(guān)鍵部件，并且在未來的工業(yè)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景。

為了研究鎢鉬合金切削原理，學(xué)者進行了大量研究工作。羅正川^[2]等使用硬質(zhì)合金刀具切削鎢基合金時，刀具磨損極為迅速，導(dǎo)致硬質(zhì)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(xiàn)的三角形磨損區(qū)。刀具磨損的主要原因是硬質(zhì)點引起的機械磨損，而硬質(zhì)合金中粘結(jié)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(fā)現(xiàn)細晶粒或超細晶粒及表面有耐磨涂層的WC基硬質(zhì)合金刀具壽命較短，因此使用WC基硬質(zhì)合金對鎢及其合金進行切削加工是不經(jīng)濟的。復(fù)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(zhì)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(jīng)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(xiàn)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(yán)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(shù)，研究在銑削鎢鉬合金過程中產(chǎn)生的切削力和切削溫度的變化規(guī)律，最后通過正交試驗獲得最優(yōu)的銑削參數(shù)組合，以此為實際銑削加工提供參考。

鎢鉬合金有限元建模

2

2.1 刀具幾何模型

仿真使用硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)4刃立銑刀，規(guī)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(shù)下切削力和切削溫度的變化規(guī)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(shè)刀具是剛體，不考慮刀具變形和磨損，刀具的物理參數(shù)見表2。

表1　刀具規(guī)格（單位：mm）

圖1　銑刀模型

表2　刀具物理參數(shù)

2.2 鎢鉬合金材料本構(gòu)模型

本文的仿真工件材料為鎢鉬合金，主要物理和力學(xué)性能參數(shù)見表3[4]。

表3　鎢鉬合金材料物理參數(shù)

在金屬切削加工過程中，多數(shù)情況下材料是在高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變速率的情況下發(fā)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(guān)鍵步驟。本文材料模型采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，可反映出材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變強化效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)，其形式為

式中，σ為流動應(yīng)力（MPa）；ε為塑性應(yīng)變；ε₀為參考應(yīng)變率；T為溫度（℃）；T_r為室溫（℃）；T_m為材料熔點（℃）；A、B、C、m、n為材料參數(shù)，數(shù)值見表4[5]。

表4　鎢鉬合金材料Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 接觸和邊界條件

創(chuàng)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(chuàng)建一個剛體約束。在初始分析步下創(chuàng)建一個邊界條件，約束工件側(cè)面的所有自由度，刀具需要約束4個自由度，并設(shè)置繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)及移動，其中轉(zhuǎn)動速度為主軸轉(zhuǎn)速，移動速度為進給速度。創(chuàng)建預(yù)定義溫度場，定義工件的溫度為298K。

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量對有限元模擬結(jié)果影響較大，因此對模型進行網(wǎng)格劃分時，首先應(yīng)選用合適的網(wǎng)格單元類型，其次要綜合考慮精度和成本，合理地控制網(wǎng)格密度。網(wǎng)格越密則模擬結(jié)果精度越高，但會導(dǎo)致計算成本的增加。刀具網(wǎng)格和工件網(wǎng)格最小尺寸均取0.02mm，分別對刀具和工件進行均勻網(wǎng)格劃分。刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體非獨立結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，類型為C3D10MT，刀具網(wǎng)格為74400個單元。工件采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，工件網(wǎng)格為26250個單元，工件網(wǎng)格類型為C3D8RT。劃分網(wǎng)格后的刀具和工件分別如圖2、圖3所示。

圖2　刀具網(wǎng)格

圖3　工件網(wǎng)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(tài)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(jié)果的查看和分析。銑削模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　銑削模擬結(jié)果

仿真正交試驗

3

3.1 試驗設(shè)計

本試驗主要研究在銑削鎢鉬合金過程中切削速度v_c、背吃刀量a_p和每齒進給量f_z對切削力、切削溫度的影響，因此設(shè)置三因素四水平正交表（見表5），即以v_c、a_p和f_z為自變量。令切削寬度a_e＝1mm，最小切削力F 和最低切削溫度T 為響應(yīng)量[6]。根據(jù)正交試驗表選擇原則，采用L₁₆正交表，試驗安排及結(jié)果見表6。

表5　正交因素與水平


表6　正交試驗結(jié)果

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

針對正交試驗結(jié)果采用極差R 法分析，極差是指各水平指標(biāo)對應(yīng)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(jié)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(yōu)水平和因素最優(yōu)組合^[7] 。R 法的原理是通過計算各列數(shù)值的極差進行對比，極差越大，就證明該因素對結(jié)果的影響程度越大，則為主因素，再通過直觀分析法對結(jié)果進行分析。以最小切削力F為指標(biāo)，試驗結(jié)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(jié)果的和，k₁、k₂、k₃和k₄分別為對應(yīng)的平均值。

表7　指標(biāo)F 試驗結(jié)果分析 （單位：N）

從表7可得出結(jié)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(biāo)F優(yōu)選方案為B₁C₂A₂，即切削速度v_c為60m/s，每齒進給量f_z為0.16mm/z，背吃刀量a_p為2mm。以最低切削溫度T為指標(biāo)，試驗結(jié)果分析見表8。

表8　指標(biāo)T試驗結(jié)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(yōu)選方案為A₁B1₂C₄，即切削速度v_c為50m/s，每齒進給量f_z為0.16mm/z，背吃刀量a_p為4mm。

鎢鉬合金銑削試驗及模型驗證

4

4.1 試驗設(shè)計

為驗證鎢鉬合金銑削試驗有限元模型的有效性，使用數(shù)控加工中心JOHNFORD-VMC-850進行銑削加工，刀具選用硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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

4.2 模型驗證

選擇3組切削參數(shù)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(jié)果的最大誤差是15.6%，在20%之內(nèi)，因此試驗結(jié)果滿足工程應(yīng)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

結(jié)束語

5

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(shù)，研究在銑削鎢鉬合金過程中產(chǎn)生的切削力和切削溫度的變化規(guī)律，通過正交試驗獲得最優(yōu)的銑削參數(shù)組合，為實際銑削加工提供參考。得到的結(jié)論如下。

1）背吃刀量a_p和每齒進給量f_z對切削力F影響較大，影響主次為B＞C＞A，故切削力F優(yōu)選方案為B₁C₂A₂，即v_c＝60m/s，f_z＝0.16mm/z，a_p＝2mm。

2）切削速度v_c和背吃刀量a_p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(yōu)選方案為A₁B₁C₄，即v_c＝50m/s，f_z＝0.16mm/z，a_p＝4mm。

3）綜合考慮實際加工中切削效率及效益問題，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，即v_c＝60m/s，f_z＝0.16mm/z，a_p＝3mm。

參考文獻：

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[7] 徐德凱，王麗潔，史衛(wèi)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(yè)自動化，2015，37（9）：12-15.

本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2023年第8期第56~60頁，作者： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)   侯詩穎，王鐵鋼，王浩，劉杰 ，原標(biāo)題： 《 基于 ABAQUS 的鎢鉬合金銑削加工參數(shù)優(yōu)化 仿真及驗證 》。

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??來源：金屬加工 

?責(zé)任編輯：曹勝玉  ?責(zé)任校對：韓景春