基于实验Inconel718正交切削有限元仿真分析

许小进， 李颖， 叶琛

（国核电站运行服务技术有限公司，上海200233）

基于实验Inconel718正交切削有限元仿真分析

许小进， 李颖， 叶琛

（国核电站运行服务技术有限公司，上海200233）

为研究犁削效应和前刀面粘压对Inconel718切削过程的影响，基于正交切削实验建立Inconel718有限元切削模型，模型结果同实验值对比以验证模型可靠性。通过改变刀具圆角半径和负前角参数，提取并比较不同的切削力时域曲线和刀具温度，分析犁削效应和前刀面粘压。研究表明犁削效应提高进给力数值，刀具圆角半径由0变为5 μm，Inconel718切削进给力均值提高7%；前刀面粘压提高刀具和切屑温度，有利于切屑分离，但刀具负前角为-20°，切削加工不稳定。

Inconel718；犁削效应；有限元仿真

0 引言

Inconel718具有耐腐蚀、耐高温的优越性能，在航天、核电行业得到广泛应用，如航天发动机叶片、核电站燃料组件端部格架等，但在其加工中存在诸多问题，如表面质量不稳定，刀具振颤严重等。早期Inconel718切削过程研究主要采用试验方式［1-3］，研究对象为切削过程中的力和刀具磨损。与实验分析方法相比，Inconel718切削仿真分析也越来越被重视。如S.L.Soo模型预测的切向力与实验值相比相对误差在6%以内，进给力相对误差在29%以内［4］，是因为Inconel718切削仿真模型耦合了剪切失效参数。E.Uhlmann切削仿真模型［5］耦合Inconel718材料应变、应变率、温度以及塑性流动，仿真精度得到了提高。N.Ahmed等［6］也对Inconel718材料JC参数展开相关研究，获得了不同热处理情况下Inconel718JC参数。本文基于JC模型和切削实验数据，通过Inconel718正交切削建模，进一步分析在Inconel718正交切削过程中前刀面粘压和犁削效应对切削力和热的影响。

1 Inconel718 正交切削实验

切削试样材料为Inconel718（45HRC），形状长×宽×高为40 mm×30 mm×4 mm长方体，如图1所示。Inconel718工件放置在刨床上，刀具采用订制硬质合金刀具，以满足实验需要，如图2所示。

图1 试样

图2 刀具

试验使用Kistler9272测力仪测量正交切削力，刀具速度为0.617m/s，切削深度设定为0.1 mm。图3是安装完毕的切削平台，包括刀具、工件、平口钳和测力仪等。

图3 切削平台

2 Inconel718 正交切削有限元模型

2.1 Inconel718正交切削有限元建模

Inconel718正交切削有限元模型包括刀具、Inconel718基体、切屑、基体和切屑间的联结层。模型切削参数同实验参数一致，刀具前角设定为0°。约束工件底部沿y方向自由度和工件左右两边节点x方向自由度。刀具设为刚体，切削速度施加在刚体上的等效耦合点。Inconel718正交切削有限元模型如图4所示。

图4 Inconel718正交切削有限元模型

为评估热在切削中的影响，这里采用Abaqus热力耦合分析程序。Inconel718基体、联结层、切屑层单元采用温度—位移耦合减缩积分单元，起始温度为25℃。

2.2 Inconel718材料定义

Inconel718采用Johnson-Cook本构方程，J-C剪切失效模型配合J-C本构模型使用，适合模拟大应变率下的金属变形失效，因此选用该模型来模拟切屑的分离。J-C本构方程参数和J-C剪切失效参数D1～D5需要通过试件材料性能实验获得。Inconel718（45HRC）的材料参数如表1所示。

表1 INCONEL 718（45HRC）J-C模型参数［7］

2.3 接触摩擦准则

切削过程中，分离的切屑会对刀具前角产生轴向力，同时刀具后刀面与已加工面接触，也会产生摩擦做功。这里应用库伦公式计算各接触面间的黏滑动摩擦，如式（1）所示。

σn为法向应力，μ是滑动区摩擦系数，τ为接触面摩擦应力，τmax为临界剪切屈服应力，当模型计算的τ小于τmax为滑动摩擦，若大于τmax则为黏性摩擦。Inconel718切削模型中的摩擦因数μ可由本次切削实验得到切向力Ff和进给力Ft的数值和前角α计算获得，如式（2）所示，计算得出在本次切削实验条件下μ值为0.619。

3 Inconel718 切削模型验证

切削力和切屑形态是衡量模型是否有效的2个重要标准，因为切削过程中切削热的产生、刀具的磨损、刀具与工件的挤压最终都会反映在切削力的波动上，锯齿形切屑则反映了Inconel718加工过程中材料因绝热剪切发生失效的特性。图5显示仿真切屑与实验收集的切屑形态相似。表2从切屑和切削力两个方面定量比较了实验值和仿真值，切屑高度差相对误差为17.5%；齿距相对误差在21.6%。切向力和进给力的仿真值比实际值均小，进给力与实验值误差较大是因为实际切削中刀具刀尖半径较大和Inconel718材料的微观不均匀性（存在脆性相）。

图5 Inconel718仿真切屑和实验切屑形态对比

表2 Inconel718切削力、切屑仿真值与实验数值

图6 Inconel718切削模型温度分布

Inconel718高速切削会产生大量的热。除一部分热量散失，剩余热量会被工件和刀具吸收。图6中从左至右分别为模型中切屑、Inconel718基体表面和刀具温度分布计算值。仿真云图显示，温度在第一和第二变形区最高，受高温软化影响，此区域材料沿着剪切带滑移形成新的锯齿。模型预测的刀具最高温度为680℃，在实际切削中切屑和刀具前刀面由于温度过高易发生扩散和粘结磨损等现象，本次试验中也观察到切屑粘结在刀具上。实验中切削速度过快，采集的温度数据不准确，但与同等条件下实验文献结果712℃相比，模型预测的刀具温度误差为4.49%［2］。

4 Inconel718 切削过程分析

4.1 前刀面粘压

前刀面粘压主要与刀具前角大小有关。当前角从-6°变至-10°，平均切向力从191 N增大至193.5 N，平均进给力从89 N增大至96 N。当前角从-6°变至-20°，平均切向力从194 N增大到204.7 N；平均进给力从89 N增大到136.3 N。仿真结果显示负前角绝对值增大导致切削力波动更加剧烈，切削过程趋向于更不稳定如图7、图8所示。

图7 不同前角模型切向力对比

图8 不同前角模型进给力对比

随着刀具负前角绝对值的增大，进给力和切向力的比值越来越大，刀具前角为-6°、-10°和-20°对应的进给力和切削力的比值分别为0.466、0.496 4和0.665 9，说明前角的增大导致平均进给力增加，其增加幅度大于切向力变化幅度。

前刀面粘压还表现在影响刀具与切屑之间的摩擦做功，从而改变切削热。恒定进给量下不同前角刀具温度分布如图9所示，图中从左至右刀具前角分别为-6°、-10°、-20°，可以发现刀具前角绝对值增大，刀具温度随之升高。刀具温度升高原因，一是前角绝对值增大会增加刀具和切屑的挤压，从而增加了切屑与刀具面摩擦做功；另一方面负前角绝对值增大使得刀具与切屑接触长度增加，传热面积增加，图9中黑色箭头显示的刀具前刀面温度分布也验证了这一点。

图9 Inconel718切削刀具前角对刀具温度的影响

4.2 Inconel718加工犁削效应

刀具圆角在切削中会对工件产生犁削作用，进而影响切削力的分布和数值。图10和图11比较了圆角切削模型切削力仿真值（圆角半径为5 μm）和尖角切削模型仿真值，仿真结果显示圆角半径的增大对切向力数值和振幅影响均不大；进给力均值增加7%，说明刀具圆角犁削作用对工件表面的接触挤压对进给力均值的影响幅度要显著超过切向力。

图10 不同圆角模型切向力对比

图11 不同圆角模型进给力对比

5 结论

基于实验建立Inconel718正交切削有限元模型，仿真了高速切削条件下Inconel718锯齿形切屑形成并分析了前刀面挤压和犁削对切削过程的影响，主要结论如下：1）模型揭示了Inconel718切削过程生成的锯齿形切屑；同实验值相比，Inconel718进给力仿真值相对误差为21%，切向力相对误差1.6%；模型预测的刀具温度同文献实验值相对误差为4.49%。2）前刀面挤压影响切削力和刀具温度分布：刀具负前角绝对值增加，切削力均值提高，刀具温度分布梯度更高；但刀具前角变为-20°时，切削力非周期性波动较大，加工过程不稳定。3）犁削效应主要影响进给力：带刀具圆角半径模型进给力与尖角模型相比，均值增加7%。

［1］ Choudhurya I A，El-Baradieb M A.Machinability assessment of inconel718 by factorial design of experiment coupled with response surface methodology ［J］.JournalofMaterials Processing Technology，1999（95）：30-39.

［2］ Pawade R S.An investigation of cutting forces and surface damage in high-speed turning of Inconel718［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，192-193：139-146.

［3］ 黄雪红.镍基合金Inconel718高速车削摩擦磨损行为研究［D］.济南：山东大学，2009.

［4］ Sooa S L，Dewesa R C.3D FE modeling of the cutting of Inconel718［J］.Journal of Materials Processing Technology 2004，150：116-123.

［5］ Uhlmann E.Finite Element Modeling and Cutting Simulation of Inconel718［J］.Annals of the CIRP，2007，56：61-64.

［6］ Pereira J M，Lerch B A.Effects of heat treatment on the ballistic impact properties of Inconel718 for jet engine fan containment applications［J］.International Journal of Impact Engineering，2001，25：715-733.

（编辑昊 天）

Simulation Analysis of Inconel718 Orthogonal Cutting Process Based on Experiment

XU Xiaojin， LI Ying， YE Chen
（State Nuclear Power Plant Service Company,Shanghai 200233,China）

To investigate the effects of plough phenomenon and rack face extrusion on Inconel718 machining process,a FE model is established.A cutting experiment under the same cutting conditions adopted in the FE model is conducted to determine the parameters used in FE model and to confirm the model.The plough phenomenon and rack face extrusion are studied by changing the cutting edge radius and negative rake angle.Meanwhile,the cutting force and tool temperature data are compared based on the simulation results.The simulation reveals that the plough effect leads to increase feed force which is improved by 15%with the cutting edge radius changed from 0 to 5 μm.The results also show that rack face extrusion leads to increase the cutting force and chip temperature,which is good for chip separation at some degrees,and the cutting process becomes unsteady if negative rake angle exceeding-20°because of the cutting force fluctuation.

Inconel718;plough phenomenon;FEA

TG 501

A

1002－2333（2014）05－0124－03

许小进（1986—），男，助理工程师，硕士研究生，研究方向为材料加工仿真及工艺优化。

2014-02-21

国家重大科技专项资助项目（GHYX-ZX-1201）