摘    要：航空發(fā)動機渦輪盤榫槽常用拉削加工研制而成，拉刀作為重要一環(huán)，其刃口大小將直接影響拉削加工性能與服役壽命。通過有限元仿真軟件，比較和討論了拉削速度為5m/min時不同拉刀刃口大小對過程溫度、米塞斯應(yīng)力、軸向力以及工件材料流動的影響，得出了在該工況下具有最優(yōu)加工性能和服役壽命的刃口大小范圍為10～15μm。

關(guān)鍵詞：拉削加工;刃口大小;AdvantEdge仿真;FGH95高溫合金;

1 序言

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，而渦輪盤作為航空發(fā)動機內(nèi)不可或缺的重要部件之一，其加工質(zhì)量和服役性能要求都非常嚴(yán)苛[1]。航空發(fā)動機與內(nèi)部渦輪盤如圖1所示，榫槽作為葉片與渦輪盤的關(guān)鍵連接部位，其加工表面完整性和加工精度直接影響渦輪盤榫接部位的配合牢固程度、傳力效果、抗疲勞損傷和抗蠕變性能等，最終決定發(fā)動機的服役性能與壽命[2]。渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的數(shù)控加工難以實現(xiàn)高效穩(wěn)定加工，因此現(xiàn)階段，榫槽的加工一般采用高精度、高效率和一致性好的拉削加工，以滿足榫槽高質(zhì)量和高效率的加工要求。

渦輪盤榫槽的拉削加工一般需要用到數(shù)十把成套拉刀[3]，根據(jù)粗加工、半精加工和精加工分別選用不同刃形的拉刀。而無論哪種類型的刀具，其微觀刃口大小的異同都將影響刀具在切削過程中所受到的應(yīng)力、切削力、切削溫度和切屑材料流動趨勢[4]，改變造成刀具磨損、崩缺等失效形式的關(guān)鍵因素，從而決定刀具的加工穩(wěn)定性和服役壽命[5]。吳志正等[6]探究了不同工藝參數(shù)的彈性噴砂技術(shù)對拉刀刃口鈍化效果的影響，從刃口鈍圓半徑、形狀和表面粗糙度3個方面展開論述，得出了噴砂時間、噴砂壓強和噴砂角度等關(guān)鍵因素可改變?nèi)锌谛蚊驳慕Y(jié)論，并驗證了其技術(shù)的可行性。于彥波等[7]對拉刀在磨損狀態(tài)下刃口半徑值的增大同拉削表面質(zhì)量之間的關(guān)系展開了研究和討論，通過觀察拉削表面粗糙度、加工硬化程度和深度等重要參數(shù)，得出了不同拉削距離下，大小各異的刃口半徑值對加工后工件表面完整性的影響規(guī)律。

圖1 航空發(fā)動機與內(nèi)部渦輪盤 

本文從有限元仿真分析的角度出發(fā)，定義了W12C r4V5C o5(T15）高速鋼拉刀與F G H95高溫合金工件材料的本構(gòu)參數(shù)模型，根據(jù)Advant Edge仿真運行結(jié)果，從仿真云圖和數(shù)值提取兩個方面分別探究了不同微觀刃口大小的拉刀在特定拉削工況下的溫度、應(yīng)力、切削力及工件材料流動趨勢的影響，最后結(jié)合上述物理量的討論得出了系列結(jié)論。

2 有限元仿真軟件介紹及設(shè)置

本文所采用的有限元CAE軟件為Advant Edge，是一款專業(yè)性較強、針對優(yōu)化金屬切削和輔助刀具設(shè)計的軟件，提供了多種2D和3D（包括車削、銑削、鉆削和拉削等）工藝分析模塊。本文中的有限元仿真可直接采用Advant Edge自帶的二維拉削模塊進(jìn)行，其大致分析流程為：刀具及工件參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)格劃分、材料定義、切削參數(shù)定義、求解過程分析和仿真結(jié)果分析。

在本文的二維拉削仿真中，拉刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及拉削過程參數(shù)見表1，刀具微刃均為鈍圓刃口，以刃口半徑R=5μm為梯度，從5～30μm共設(shè)置6個單因素變量組。刀具材料為W12Cr4V5Co5(T15）高速鋼，工件材料為FGH95高溫合金，采用AdvantEdge軟件內(nèi)部自帶的經(jīng)驗型本構(gòu)模型J-C(Johnson-Cook）模型，J-C模型將材料流動應(yīng)力表示為應(yīng)變硬化函數(shù)f1(εp）、應(yīng)變率函數(shù)和熱軟化函數(shù)f3(T）這3個函數(shù)的乘積，具體表達(dá)式為

式中，σ為流動應(yīng)力（MPa),εp為等效塑性變形，ε為應(yīng)變率（s-1),為參考應(yīng)變率（s-1),T為實驗溫度（℃），A為初始屈服應(yīng)力（MPa),B為材料應(yīng)變硬化模量（MPa),n為材料硬化指數(shù)，C為材料應(yīng)變率強化參數(shù)，T*為無量綱溫度項，,Tr為參考溫度（℃），Tm為材料熔點溫度（℃），m為材料熱軟化參數(shù)。

表1 刀具仿真參數(shù)設(shè)定 

本文針對FGH95高溫合金，其J-C模型本構(gòu)參數(shù)定義如圖2所示。

圖2 FGH95工件材料參數(shù)定義 

3 仿真結(jié)果與討論

針對本文的拉刀仿真分析，采用如圖3所示模型的采樣步驟，統(tǒng)一選取穩(wěn)定加工過程階段的某一幀作為分析對象，采用分析線的方式分別提取了（50個位點）前刀面區(qū)域、刀尖區(qū)域和后刀面區(qū)域的切削溫度、米塞斯應(yīng)力（Mises Stress）、切削力和切屑流動速度等一系列加工過程物理量數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，選取區(qū)域長度必須保持恒定。

圖3 刀具刃口切削溫度示意

3.1 拉削溫度對比分析

仿真刃口半徑選取見表1，拉刀前、后角分別為18°和3°，拉削速度以及齒升量分別為5m/m i n和0.05mm。圖4為刃口半徑R=30μm在拉削過程中的溫度云圖，而圖5展示了不同刃口半徑的拉刀在同一幀數(shù)下的溫度數(shù)據(jù)對比。從圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在該工況下刀具與工件相互作用所產(chǎn)生的溫度并不高，所有刃口區(qū)域最高溫度均在200℃以下。同時，切削溫度及熱影響區(qū)域隨刃口半徑的增大而逐漸增大。造成此類現(xiàn)象的原因主要有以下兩個方面：一方面，隨著微刃尺寸的不斷增大，后刀面與工件的接觸面積也不斷增加，使其摩擦力分量和第三變形區(qū)的塑性變形增加，導(dǎo)致刀具擠壓的作用大于切削的作用，從而導(dǎo)致切削溫度不斷上升；另一方面，盡管切削刃的散熱面積會隨著刀具鈍圓刃半徑的增大而不斷擴大，但由于切削力也會伴隨刃口的增大而增加，導(dǎo)致刀具載荷增加，從而溫度升高。當(dāng)單位時間內(nèi)的溫度上升大于因散熱面增加導(dǎo)致的溫度降低時，刃口處的整體溫度會呈現(xiàn)上升趨勢。因此該工況下的拉刀刃口溫度和溫升范圍會隨著刃口半徑的增加而增大。

圖4 刃口半徑R=30μm的刃口溫度云 

圖5 不同刃口半徑刀具拉削過程溫度數(shù)據(jù)

此外，根據(jù)圖5的過程溫度數(shù)據(jù)對比不難發(fā)現(xiàn)，不同刃口半徑下各個刃口區(qū)域的溫度差值較小，基本穩(wěn)定在20℃以內(nèi)。最高溫度均集中在刀尖處，刃口半徑為30μm時最高溫度達(dá)到了180℃，而刃口半徑為5μm時最高溫度在160℃左右。這種情況的出現(xiàn)說明在拉削速度不高（5m/min）的工況下，改變拉刀刃口半徑大小對拉削溫度的影響并不突出。

3.2 米塞斯應(yīng)力對比分析

米塞斯應(yīng)力是刀具磨損與服役壽命的關(guān)鍵影響因素。圖6和圖7分別為不同刃口半徑的拉刀在拉削過程中所受到的米塞斯應(yīng)力云圖與數(shù)據(jù)對比。從圖6中可以看出拉刀刃口所受應(yīng)力主要集中于后刀面，且當(dāng)刃口半徑R=5μm時，后刀面上超過1000MPa的應(yīng)力范圍最廣（具體參考云圖中紅色區(qū)域在X坐標(biāo)軸上的長度）。當(dāng)刃口半徑R=25μm或30μm時，后刀面上超過1000MPa的應(yīng)力范圍較小。

從圖7的應(yīng)力數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，不同于刀具刃口溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)力數(shù)據(jù)在線條上會出現(xiàn)較多高低起伏的波動。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是溫度在刃口不同位置處的傳導(dǎo)較為均勻，相鄰區(qū)域的溫度基本不會出現(xiàn)較大波動；但由前刀面至后刀面的分析線所在的刃口區(qū)域，分別接觸工件材料的第二變形區(qū)、第一變形區(qū)和第三變形區(qū)，各個變形區(qū)對刀具所產(chǎn)生的應(yīng)力可能存在較大差異，在應(yīng)力數(shù)值上會存在波動的情況。

從數(shù)據(jù)可以看出，刃口半徑R=5μm的拉刀最大米塞斯應(yīng)力達(dá)到了2500MPa，同時結(jié)合前、后刀面不同區(qū)域的應(yīng)力幅值與后刀面應(yīng)力范圍來看，該刃口大小的刀具會率先達(dá)到磨損失效值。相反，當(dāng)刃口半徑值R=10μm或15μm時，刀具應(yīng)力具有綜合較低的數(shù)值與較佳的表現(xiàn)，理論上會有更優(yōu)的刀具壽命和磨損表現(xiàn)。

圖6 不同刃口半徑刀具米塞斯應(yīng)力云 

圖7 不同刃口半徑刀具所受應(yīng)力數(shù)據(jù)對比  

3.3 切削力對比分析

圖8為切削力（X、Y方向）隨刃口鈍圓半徑和時間的變化曲線，兩者均表現(xiàn)為切削力隨著刀具刃口鈍圓半徑減小而降低。具體來說，當(dāng)刃口半徑R=30μm時，刃口在X方向上受到的切削力最大，且最大值超過250N；當(dāng)刃口半徑R=5μm時，刃口在X方向上受到的切削力最小，兩者差值基本維持在50N以內(nèi)。而切削力的大小差異在Y軸方向上表現(xiàn)更為明顯，當(dāng)刃口半徑R=30μm時，刃口在Y方向上受到的切削力最大值達(dá)到了130N，而刃口半徑R=5μm的拉刀刃口在該方向上的力在30N左右，兩者差值接近100N。

無論X軸向還是Y軸向上的切削力，均隨微觀刃口半徑的增大而增大，這是由于刃口半徑較小時，尖銳的刀具切削刃對工件主要呈現(xiàn)出剪切的作用效果，受到的阻力較小；而當(dāng)刃口半徑不斷增大時，工件材料由剪切滑移逐漸過渡到擠壓和耕犁為主的變形[8]，隨著耕犁作用不斷增強，刃口受到的切削阻力也會不斷增大。因此，在一定范圍內(nèi)減少刀具刃口半徑有利于降低切削過程中的切削力，提升刀具切削性能。

圖8 不同刃口半徑刀具所受切削力對比

3.4 工件材料流速對比分析

圖9所示為工件材料流動速度的云圖對比，在刃口半徑R=5μm的情況下，刃口處的材料流動速度整體較快，且沒有發(fā)生局部的停滯。而在刃口半徑較大的加工條件下，均產(chǎn)生了類似于三角形區(qū)域的材料停滯區(qū)域（Dead Metal Zone,DMZ),DMZ產(chǎn)生的主要原因是工件材料流動受阻，較大的切削刃半徑更容易導(dǎo)致此種現(xiàn)象產(chǎn)生。除了切削刃半徑大小因素外，切屑形成、材料變形和應(yīng)力分布還受未變形切屑厚度與切削刃半徑之比的影響[9]。當(dāng)兩者比值降低至最小未變形切屑厚度以下，則主剪切區(qū)域會消失。

綜上所述，減小刀具刃口半徑有利于降低切削溫度，減小切削力，降低切削應(yīng)力。但當(dāng)?shù)毒哜g圓半徑為5μm時，后刀面上的米塞斯應(yīng)力范圍最廣，且最大應(yīng)力超過2500MPa。故過小的刀具鈍圓半徑會引起刀具磨損加快，導(dǎo)致刀具壽命降低，但過大的刃口值同時會引起軸向力的增大，對刀具性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在拉刀前角和后角分別為18°和3°，拉削速度及齒升量分別為5m/min和0.05mm的工況下，選擇10～15μm的刃口半徑值理論上應(yīng)具有更好的加工和磨損壽命表現(xiàn)。

圖9 工件材料流速云圖對比 

4 結(jié)束語

本文針對航空發(fā)動機渦輪盤用拉刀微刃口展開了系列研究，應(yīng)用Advant Edge仿真軟件對特定拉削工況下的不同刃口大小值刀具進(jìn)行了有限元仿真分析，對切削過程中的溫度、米塞斯應(yīng)力、軸向力及工件材料流動速度等展開了分析和討論。得出了如下結(jié)論。

1）在拉削速度為5m/m i n的工況下，刃口各個區(qū)域最高溫度均在200℃以下，且在鈍圓刃口半徑5～30μm的區(qū)間內(nèi)溫度變化較小。但總體來說，拉刀刃口溫度和溫升范圍會隨著刃口半徑的增加而增大。

2）拉刀刃口在拉削過程中所受米塞斯應(yīng)力主要集中于后刀面。當(dāng)刃口半徑R=5μm時，刀具后刀面所受米塞斯應(yīng)力范圍最廣、數(shù)值最大，預(yù)示著較差的拉削性能和較短的刀具壽命，相反，選擇刃口半徑10～15μm的拉刀所受的米塞斯應(yīng)力會相對較小，預(yù)示著更長的刀具壽命。

3）切削力會隨著刀具刃口半徑的減小而降低，不同刃口間的切削力大小差異在Y軸向上表現(xiàn)更為明顯。主要原因是刃口半徑增大會使工件材料的耕犁作用不斷增強，刃口受到的切削阻力也由此不斷增大。此外，增大拉刀刃口半徑會導(dǎo)致刃口處的材料流動速度降低，更容易出現(xiàn)工件材料流動的局部停滯現(xiàn)象。

4）綜合而言，在拉刀前角和后角分別為18°和3°，拉削速度及齒升量分別為5m/m i n和0.05m m的工況下，選擇10～15μm的刃口半徑值理論上應(yīng)具有更好的加工和磨損壽命表現(xiàn)。

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文章來源：金屬加工（冷加工