刀具前角对高温合金GH4169高速切削过程影响

前言

高温合金GH4169因其具有强度高，耐高温等性能，被广泛的应用于航空航天工业中涡轮盘和叶片等部件[1]。但其切削加工难度大，主要表现在切削力大，导热性差，刀具磨损严重[2]。为了解决其切削加工性，国内外学者针对GH4169开展了多项研究。王哲等（2020）研究了切削三要素对GH4169切削过程中切削力和切削温度的影响规律，并采用遗传优化算法对切削参数优化分析[3]。范孝良等（2016）建立了GH4169二维正交切削有限元模拟，采用有限元仿真和试验对比的手段对锯齿形切屑形态进行了研究[4]。韩俊峰等（2020）针对GH4149磨削过程进行了试验研究，发现磨削速度对残余应力影响较大，而磨削进给量和磨削背吃刀量对工件的残余应力影响较小[5]。郭胜华等（2018）研究了GH4149表面喷丸强化，随着喷丸时间的延长，工件表层显微强度和表面粗糙度不断提高，喷丸直径越大，表面粗糙度越低[6-7]。本文针对GH4169高温合金材料研究了高速切削过程中，刀具前角到切削力、切削温度和刀具磨损率的影响规律。

1、试验设计

本试验采用的切削仿真模型包括刀具和工件两部分。工件的长度为5 mm，宽度为3 mm；刀具长0.5 mm，高度为0.5 mm，尖圆弧半径为0.016 mm。工件采用的是“前进四边形”网格单元技术，该网格生成器首先沿给定轮廓边界的边界创建元素，网格创建将继续向内进行，直到整个区域都被网格化为止[8]。使用的元素数量约为8 000，最小元素大小设置为0.001 mm。在工具尖端周围使用了更细的网格，材料在此处分离，刀具约10 000个单元，且最小元素大小为0.001 mm，如图1所示。为研究刀具前角对高温合金GH4169切削过程影响的分析[9]，本次试验进行了单因素变量对比试验，具体试验方案参数如表1所示。

1.1 材料参数

切削过程是在高应变和高应变速率下进行，应变大小、应变速率和温度对材料流动应力有很大的影响。

工件材料的热塑性变形行为可用Johnson-Cook本构模型描述，本构定律如式（1）：

表2列出了Johnson-Cook的本构参数[10]；表3列出了刀具和工件材料的物理和热机械性能[11]。

1.2 摩擦模型

摩擦模型主要应用在刀具和工件相互作用的过程中，它影响着切削热的生产和切屑形态的变化。在实际切削过程中，刀具前刀面与切屑接触密切，容易形成高温高压区域 [12-13]，刀具前面和工件的相互作用可以分为粘接摩擦区和滑动摩擦区，结果如图2所示。

如图2所示，在刀尖附近，前刀面与切屑接触正应力很大，大于材料的临界剪切应力，摩擦应力为常量，此区域为粘结摩擦区域；与粘接摩擦区域相邻的区域为滑动摩擦区域，刀屑接触正应力较小，摩擦力与正应力呈正比例，摩擦系数不停改变，如式（2）：

触面上的正应力； τmax 为材料的临界剪切应力；μ为摩擦系数，取0.6。

1.3 断裂准则

断裂准则为了说明材料中的断裂，断裂准则基于断裂应变能量或累积的塑性应变，并且当元素中达到断裂准则时，可通过从模型中删除该元素来停用该元素。本文以Cockroft & Latham材料破坏准则[14]作为仿真

材料断裂准则，如式（3）：

式（3）中，σ*为最大主应力；εe为等效应变；W为材料的破坏值。

2、试验结果与分析

2.1 刀具前角对切削温度的影响

在高速切削过程中，刀具角度对切削温度的影响如图3、图4所示。

由图4可知，当刀具前角为-4°，切削温度最高达到850℃，切削温度随着刀具前角的增大而减小；当刀具前角为4°，切削温度降低到762℃。这是因为刀具的前角增大，金属变形的剪切角增大，金属塑性变形减小，所产生的塑性变形能量减小，切削温度降低。

2.2 刀具前角对切削力的影响

在高速切削过程中，刀具角度对切削力的影响如图5所示。由图5可知，最高切削力值在前角为-4°观察到，其大小为380 N。而在前角为4°时，切削力降为最低值275 N。

可以得出，切削力均随着前角的增加而减小。这是由于在金属切削过程中，前角的增加通常会导致刀具—切屑界面的长度变短，较短的刀具—切屑界面意味着较小的变形，沿着前刀面的摩擦力也减小，切削力随之降低。

2.3 刀具前角对刀具磨损率的影响

刀具模型主要集中在前刀面和后刀面，并且后刀面的磨损率大于前刀面的磨损率，如图6所示。由于前刀面和切屑在相互接触区域产生较大的温度和摩擦力，加速了前刀面的磨损。在后刀面区域，刀具的磨损区域主要接近于刀尖位置处，这主要是由于后刀面与已加工表面相互作用引起的磨损。

刀具前角和刀具磨损率的相互作用规律如图7所示，从图7可以得出，随着刀具前角的增加，刀具的磨损率不断降低。这主要是由于刀具前角增大，切削过程中切屑的剪切角减小，刀具同切屑界面的长度变短，切削力和切削温度降低，刀具磨损减小，刀具耐用度提高。

3、结语

本文采用有限元切削仿真方法，研究了刀具前角对切削力、切削温度和刀具磨损率的影响。结果表明，刀具前角在-4°至4°内，随着刀具前角的增大，刀具和工件产生的切屑接触长度变短。此二者之间的摩擦力减小，切削力减小和切削温度降低。随着刀具切屑的接触长度变短，刀具磨损率不断降低，刀具耐用度提高，同时后刀面的磨损率大于前刀面的磨损率。

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