Inconel 718切削过程的有限元仿真研究*

黄雪红

(滨州职业学院电气工程学院，山东滨州 256603)

Inconel 718切削过程的有限元仿真研究*

黄雪红

(滨州职业学院电气工程学院，山东滨州 256603)

为了研究高速切削Inconel 718的切削机理，应用有限元软件DEFORM－2D模拟了高速切削Inconel 718的切削过程，分析了切削速度对切削温度、切削力和剪切角的影响规律以及切削过程中刀具和工件的应力场分布情况。仿真结果表明：切削力随着刀具的切入先迅速线性增大，然后趋于稳定，切削力随切削速度的增大呈下降趋势。切削温度的最高点总是位于前刀面上距离刀刃不远的地方。最高切削温度随着切削速度的增大而增高。最大刀具等效应力出现在前刀面上切削刃的周围，工件上最大等效应力出现在第一变形区。切削过程中，剪切角随切削速度的增加而增大。

Inconel718;有限元仿真;切削速度;应力场分布

0 引言

金属的高速切削加工中切屑-刀具-工件的接触区具有典型的高应变、高温、高应变率特点，在工件表面形成一个不均匀的热-力耦合强应力场，产生的弹塑性大变形、热应力集中和复杂摩擦状况不仅对加工过程切削变形过程，而且对工件表面形貌、加工硬化、残余应力等形成特征产生重要影响。金属切削加工是一个复杂的非线性过程，不但涉及到材料的非线性、几何非线性以及边界非线性问题，还涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学、热力学和摩擦学等。有限元法在求解非线性和多场耦合方面的强大功能日益明显，从而在切削加工过程的研究中得到了广泛的应用［1-5］。

利用有限元通用软件DEFORM-2D对高速切削Inconel 718的切削过程做了数值模拟，研究切削速度对切削温度、切削力的影响规律以及切削过程中刀具和工件的应力场分布。仿真结果可以为高速切削镍基合金提供合理的切削参数，并为研制加工镍基合金的新型刀具材料和提高刀具寿命提供借鉴。

1 仿真模型及切削参数设定

1.1 切削模型

金属切削加工可以分为两种情形，即正交切削(或称直角切削)和非正交切削(斜角切削)。对于正交切削情形，切削刃与切削速度方向垂直，刃倾角为零，如图1所示。正交切削是最简单的一种情形，为便于研究，我们经常将实际金属切削过程简化为正交切削。

图1 正交切削示意图

在DEFORM-2D中提供了网格密度定义的跟踪技术，可以自定义网格密度窗口。为了减少计算误差，工件的局部变形处的网格应该划分得比较细密。本文在模拟过程中采用了该技术，所建切削模型如图2所示。靠近刀刃的窗口1跟随刀具一起移动，远离刀刃的窗口2则保持不动。切屑的生成是通过自动网格划分来实现，这就不需要额外定义切屑分离准则了。

图2 切削模型与网格划分

1.2 工件材料模型和刀屑界面的摩擦设定

材料的本构方程或称流动方程是描述材料变形的基本信息，它表明了在热加工变形条件下的变形热力参数之间的数量关系，即流动应力与应变、应变速率以及温度之间的依赖关系。构建能够真实反映被加工材料应力应变关系、应变率、强度与温度之间的对应关系特性的材料模型，是保障加工过程动态物理仿真结果正确性和可靠性的基础和前提。现在许多商业化通用有限元软件通常都会自带有材料数据库，提供常用材料的材料性能，供用户直接选用。DEFORM的材料数据库提供146种材料的宝贵数据。本文使用的就是封装到DEFORM材料库中的镍基高温合金Inconel 718。采用DEFORM软件默认的分离准则，当节点经历的拉伸应力超过压缩应力10%时，该节点处产生分离［6］。采用文献［7］中所用方法计算刀-屑界面的摩擦。摩擦设置为剪切摩擦状态，与弹性相互接触的库仑摩擦不同，这里属于粘结摩擦，此时摩擦应力与剪切屈服应力成正比，如式(1):

式中:τf为摩擦应力，τp为剪切屈服应力，m为剪切摩擦系数。该公式表明摩擦应力为变形体屈服应力的函数。该方法为常摩擦因子法，数学处理方式比较简单，易于在有限元程序中实现，且一定条件下与实际符合较好。

1.3 刀具几何参数和切削参数

刀具几何参数根据不同切削情况变化，选择不同的刀具前角、后角、刀尖圆弧角。切削参数也可以根据实际加工情况，选择不同的切削速度和进给量。本文所用刀具参数和切削参数如表1所示。

刀具材料选用TiCN涂层硬质合金，基体材料碳化钨。设定剪切摩擦系数m=0.40。

表1 刀具几何角度和切削参数

2 仿真结果分析

2.1 切削力分析

图3为切削速度为200m/min时主切削力随切削时间的变化曲线。可以看出，切削力在切削初始阶段基本上呈线性增大至一定值。在这一阶段，消耗的切削功主要用于克服工件的弹性变形，随着刀具的不断切入，刀——屑接触长度增加，摩擦力逐步增大，并开始产生摩擦热，剪切带也逐渐成形，切削力不断增大。当切屑开始成形以后，刀——屑之间的接触长度基本不再变化，切屑不断平稳地产生和流动，切削力也就趋于稳定，不再线性增加，切削过程进入稳态阶段，切削力在一个较小的范围内波动。

图4为主切削力随切削速度的变化曲线，从中可以看出随着速度的增加，主切削力呈下降趋势，符合高速切削范围内切削力变化规律［9］。

2.2 温度场分析

在金属切削过程中，切削时所做的功除了1%～2%用于形成新表面以及以晶格扭曲等形式形成潜藏能以外，其余的都转化为热。如果切削热没有及时地从切屑和工件传导出去，切削区温度就较高，使刀具磨损加快。所以，研究切削热和切削温度的产生和变化规律，是研究金属切削过程的重要方面，分析切削过程中的温度场分布具有重要的意义。

切削进入稳定状态后，取第300步处的切削状态为研究对象。图5为切削速度为100m/min条件下工件和刀具温度场的分布。从中可以看出，最高切削温度在刀-屑接触面附近，为 703℃，这说明刀——屑接触面是摩擦最严重的地方。图中剪切区的等温线基本与剪切面平行，也就是说剪切面上各点的温度几乎相同。同时可以发现剪切区的等温线密度比较大，说明温度变化梯度较大。

由于前刀面与切屑间及后刀面与已加工表面间的摩擦作用，再加上切削层金属不断发生塑性变形，产生的热量不断传导到刀具上。由图5b可知，刀具上的温度呈辐射状，离前刀面和刀-屑接触区越远温度越低，刀具的最高温度在前刀面上距离刀刃不远的地方，即图中蓝色方框标记处，最高温度为498℃，低于工件上最高温度。

图5 第300步时的温度场

图7为稳态切削第500步时刀具最高温度随切削速度的变化曲线。从中可以看出，随着切削速度的增大，最高切削温度也随之增加，但增加的幅度变缓。这是因为当切削速度提高后，产生切屑的速度增加，传入切屑而被切屑带走的热量份额加多，而传入刀具的热量份额减小，故刀具升温不大。

2.3 应力场分析

由于材料的不均匀性和内部可能存在的缺陷，压应力达到一定值时，刀具也会发生破坏。刀具在正前角时，具有拉、压两个应力区。在前刀面一定区域内受到拉应力，在后刀面区域受到压应力。如果拉应力超过材料的强度极限，就会在应力区域内材料最弱的地方首先发生裂纹或者立即破损。如果优化刀具的几何参数，可以使拉应力区域缩小或者全部变成压应力区。当然如果压应力过大，超过刀具材料的抗压强度，也会引起刀具的破损。刀具应力分布的预测可以为刀具几何参数的优化提供重要的参考依据。

图8为切削速度v=100m/min进入稳态切削过程后，第300步时刀具和工件的等效应力分布图。从图8a中可以看出，在刀刃处等效应力最大，达到2380Mpa，在刀刃附近发生塑性破损的可能性最大。离切削刃越远，等效应力的值越小。图8b表明第一变形区内材料的等效应力是最大的，为1990MPa，远远超过了材料的屈服强度极限。最大的应力分布形成了一条狭长的剪切带，该剪切带与水平方向的夹角即为剪切角。在第一变形区中材料在刀具的挤推作用下，发生了强烈的塑性变形并形成切屑。在第二变形区，等效应力值的大小仅次于第一变形区，也超过了1500MPa。

图8 刀具和工件等效应力分布云图(v=100m/m im)

2.4 剪切角分析

剪切角的大小对切削中金属变形、切削力及切削温度有直接影响，是研究金属切削过程的一个很重要的参数。剪切角的大小一般是采用快速落刀装置获得切屑根部图片然后进行测量获得，比较麻烦。而有限元模拟方法可以直观的模拟出切削的动态过程，通过后处理模块可以得到切削过程中各步的剪切角大小。

图9是切削速度为100m/min的条件下，切削过程中剪切角的变化曲线。从中可以看出，在切削过程中，剪切角不是一个固定不变的值。在有限元模拟过程中，剪切角曲线是在一个稳定值附近振动的曲线，这是因为在模拟的过程，为了使模拟过程持续进行下去，必须对网格进行重划分。在网格重划期间剪切角保持不变，在切削进行的过程中，由于应变率发生变化引起剪切角变化，因而是和切削力的曲线一样是上下振动的曲线。

图9 切削过程中剪切角随时间的变化曲线

剪切角是与切削速度有关的一个参数。不同的速度对应不同的应变率，不同速度下前刀面和切屑之间的摩擦状态不一样，也就说摩擦角不同，因而同一种材料在不同的切削速度下，剪切角是不一样的。图10为剪切角随速度的变化曲线，各速度下的剪切角为稳定切削状态下300步时的值。由图可知，随着切削速度的提高，剪切角增大，从而导致切削变形及切削力降低。

图10 剪切角与切削速度的关系

3 结束语

模拟了直角正交切削Inconel 718的切削过程，分析了切削速度对切削力、切削温度和剪切角的影响以及刀具和工件应力场的分布情况，结果表明:

(1)切削力随着刀具的切入先迅速线性增大，然后趋于稳定，但是切屑的分离会引起切削力曲线发生波动。切削力随切削速度的增加呈下降趋势。

(2)不论切削条件怎么变化，切削温度的最高点总是不在刀刃处，而是位于前刀面上距离刀刃不远的地方。最高切削温度随着切削速度的增加而增大，但增大幅度减缓。

(3)刀刃处等效应力最大，离切削刃越远，等效应力的值越小。工件上最大等效应力出现在第一变形区。

(4)切削过程中，剪切角趋于一稳定值，随切削速度的增加而增大。

［1］黄志刚，柯映林，王立涛.金属切削加工的热力耦合模型及有限元模拟研究［J］.航空学报，2004，125(13):317－320.

［2］杨勇，方强，柯映林，等.基于有限元模拟的钛合金锯齿状切屑形成机理［J］.浙江大学学报工学版，2008，42(6):1010－1014.

［3］Pradip Majumdar，R.Jayaramachandran，S.Ganesan.Finite element analysis of temperature rise in metal cutting processes.Applied Thermal Engineering，2005，(25):2152－2168.

［4］D S.L.Soo，D.K.Aspinwall，R.C.Dewes.3D FE modelling of the cutting of Inconel718.Journal of Materials Processing Technology，2004(150):116－123.

［5］徐志平.基于有限元方法的切削加工过程动态物理仿真关键技术研究［D］.山东大学，2008.

［6］Jeffrey Fluhrer.DEFORM2D Version9.0 User Manual.

［7］唐春文.金属切削过程的非线性有限元模拟研究［D］.华南理工大学，2004.

［8］卢树斌.高速金属切削加工的数值模拟与分析［D］.江苏大学，2006.

［9］张伯霖.高速切削技术及应用［M］.北京:机械工业出版社，2002.

(编辑 赵蓉)

Study on High Speed Cutting Process of Inconel 718 Based on Finite Element Method

HUANG Xue-hong
(Binzhou Ploytechnic，Binzhou Shandong 256603，China)

In order to study themechanism ofhigh speed cutting Inconel 718,high speed cutting of Inconel 718 is simulated using finite element software DEFORM-2D.The effects of cutting speed on cutting temperature,cutting force and shear angle as well as the stress distribution of tool and workpiece during cutting process are analyzed.Finite element simulation results show that cutting force increases linearly at first,and then stabilized.The cutting force showed a downward trend w ith the cutting speed increases.The highest cutting temperature point is always at face near the cutting edge.Themaximum cutting temperature increases w ith the increase in cutting speed.Themaximum tool effective stress is located in the flank face near cutting edge and the shear deformation zone on the workpiece.Shear angle increases w ith the increase in cutting speed.

Inconel718;finite element simulation;cutting speed;stress distribution

黄雪红(1981—)，女，山东成武人，滨州职业学院电气工程系助教，硕士，主要从事高速切削研究等，(E－mail)mehxh2006@qq.com。

TG506

A

1001－2265(2011)06－0098－04

2010－12－16

国家自然科学基金项目(50575126)