考虑材料损伤演化的钛合金切削过程仿真及试验研究_付杰

在每等份小时间段内被切削的圆弧微元可以近似为
一段直线。在很短的时间段内三维外圆车削可近似
为三维直线正交切削； 又因切削深度与进给量比值
较大，三维正交切削模型又可近似为平面应变切削
模型，如图 1b） 所示。
1． 2 几何模型及边界条件
切削参数为： 进给量 0. 4 mm / r，切削深度 2. 5 mm，
= ［A+B（ ξ－） n］ 1+Cln
·ξ－
·－
ξ0
1－ T － Troom m Tmelt － Troom
（ 1）
式中： 右边 3 个中括号分别代表应变硬化、应变率强
化、热软化效应； σ－ 为等效流动应力； ξ－ 为等效塑性
应变，·ξ－ 为等效塑性应变率，·ξ－0 为参考应变率（ 通常 取 1. 0 s － 1 ） ； Tmelt 为材料熔点，取 1 580 ℃ ； Troom 为室 温，取 20 ℃ ； A 为抗拉屈服强度，A = 875 MPa； B 为
拟通过大型通用有限元仿真软件 ABAQUS，采 用 基 于 断 裂 能 量 的 损 伤 演 化 模 型，模 拟 钛 合 金 Ti-6Al-4V 切 削 过 程 中 材 料 的 失 效。同 时，考 虑 刀 具 / 切屑接触面极限剪切应力 τmax 随摩擦系数变化、 摩擦系数随温度而变化以提高模拟精度。通过试验 验证有限元模型的正确性，通过该切削仿真模型，预 测难加工材料钛合金 Ti-6Al-4V 的已加工表面残余 应力，分析前角对切屑卷曲与损伤程度、剪切角、锯 齿形态的影响，定量研究前角、切削速度对刀具最高 温度的影响。
因此 可 以 近 似 为 平 面 应 变 模 型。刀 具 材 料 选 用
YG6X 硬质合金，主要几何参数如下： 主偏角 90°，刃
倾角 0，前角 0，后角 7°，切削刃钝圆半径 0. 02 mm。
工件分为 3 部分： 未变形切屑层、失效层、工件基体。
为避免网格过度扭曲，失效层的厚度通常要大于切 削刃钝圆半径［8］，取 0. 025 mm。
Ti-6Al-4V 二维正交热力耦合切削仿真模型。通过钛合金车削试验及切屑金相观察试验对有限元模型进
行验证，结果表明仿真的切削力、锯齿切屑形态与实验结果吻合程度较高。以该有限元模型为基础，分析
了已加工表面的残余应力，预测了前角对切屑卷曲与损伤程度、剪切角、锯齿形状、刀具温度的影响。
关键词： 钛合金； 材料损伤演化； 极限剪切应力； 锯齿切屑； 车削试验； 切削仿真
实际切削加工时，被切削材料经历了弹性变形-塑 性变形-损伤-断裂这一过程，材料由开始损伤到完全断 裂经历了一个损伤演化过程。许多学者通过材料的单 轴拉伸/ 剪切试验测出材料断裂时的应变并将其作为 损伤演化准则。但由于试验设备的限制，难以得到切 削过程高应变率与高温下材料的失效应变。因此目前 以失效应变作为损伤演化准则的切削仿真大多将失效 应变取一个经验值，没有一定的取值规范。
硬化模量，B = 793 MPa； C 为应变率相关系数，C =
0. 001； n 为 硬 化 指 数，n = 0. 386； m 为 温 度 软 化 系
数，m = 0. 71。
1． 4 材料损伤失效
在 ABAQUS 软 件 中 分 两 步 模 拟 损 伤： 损 伤 初
始、损伤演化。
第8 期
付杰等： 考虑材料损伤演化的钛合金切削过程仿真及试验研究
正交切削的几何
模型如图 2 所示，工件
静止，刀 具 水 平 向 左 做
进给 运 动。工 件 和 刀
具 都 采 用 CPE4ＲT 四 节点 双 线 性 温 度 位 移 图 2 正交切削几何模型
耦合减缩积分单元。未变形切屑层网格划分较密，
基体网格较粗。切削过程会产生大变形，给切屑划
分规则的正方形网格可以使网格变形均匀，降低畸
中图分类号： TG506. 7； TH123
文献标识码： A
文章编号： 1003-8728（ 2014） 08-1245-06
Simulation and Experimental Study on the Cutting Process of Titanium Alloy Considering Damage Evolution
参考应变率；
·－
ξ
为等效塑性应变率；
T
为被切削材料
的温度； Troom 为室温； Tmelt 为材料熔点。损伤参数如 下［11］： d1 = － 0. 09，d2 = 0. 27，d3 = － 0. 48，d4 = 0. 014，d5 = 3. 87。 1. 4. 2 损伤演化准则
2014 年 8 月 第 33 卷 第 8 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
DOI： 10． 13433 / j． cnki． 1003-8728． 2014． 0827
August 2014 Vol． 33 No． 8
钛合金具有耐蚀性好、比强度高、耐热性高等特 点。但由于其导热系数很小，切削时产生的热不易 传出，切削温度很高。钛的化学活性大，在高温下容 易氧化、氮化形成硬而脆的外皮，产生冷硬现象加剧 刀具磨损。国内外许多学者对钛合金的切削加工性
收稿日期： 2013-02-28 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51075136） 和湖南省自然科学基
仿真与试验的被切削材料ti6al4v均为astmgrade5标准等级抗拉强度约880mpa回火温度约700其断裂韧度取75mpamti6al4v的断裂韧度弹性模量泊松比代入式切削力验证为验证cm6140车床上进行了切削实验用dcl03a三向车削测力仪测量切削力车削试验结束后通过mm6金相显微镜观察切屑形态如图金的切削性能较差在生产实际中的高削范围为809012015018040mm长105mm的棒料为达到180min的切削速min干切削其它参数与仿真削速度下的进给力主切削力并与模拟值比105主切削力误差小于仿真与试验切屑形态对比将车削试验的切屑取一小段用金相试验镶样机镶样抛光后置于金相显微镜下观察已加工表面残余应力预测切削加工完成后经历了退刀卸去夹具冷却等工序
1 切削加工有限元建模
1． 1 三维车削模型的简化
图 1 三维车削模型向二维正交切削模型的简化
三维外圆车削模型如图 1a） 所示，工件做回转 运动，刀具随刀架向左做直线进给运动。车刀的主 偏角为 90°，主切削速度方向与进给运动方向垂直，
为正交切削。取工件回转一周的时间段为研究对
象，将刀具切削工件一周沿时域离散成若干等份，则
断裂韧度反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力， 美国材料与试验协会（ ASTM） 制订了一系列材料生产 加工规范，认定一定标准等级的被切削材料的断裂韧 度基本为常数，具有规范性。通过材料的弹性模量、泊 松比、断裂韧度可计算裂纹扩展所需的能量 Gf。因此， 断裂能量 Gf 可作为切削仿真的材料损伤演化准则。
experiments； finite element method； FOＲTＲAN （ programming languages ） ； fracture mechanics； friction； morphology； residual stresses； segmented chip； temperature； titanium alloys； turning experiment； ultimate shear stress； velocity
考虑材料损伤演化的钛合金切削过程仿真及试验研究
付杰，王伏林，杨旭静，朱克忆
（ 湖南大学 机械与运载工程学院，长沙 410082）
摘要： 为更精确地模拟钛合金的切削过程，将断裂力学的裂纹扩展能量理论作为材料损伤演化准则引入
切削仿真，考虑刀具切屑接触面上的极限剪切应力随摩擦系数变化、摩擦系数随温度变化，建立了钛合金
金项目（ 14JJ7094） 资助 作者简介： 付杰（ 1988 － ） ，硕士，研究方向为切削加工过程物理仿真
及刀具优化设计，sanxiarenshi@ hotmail． com； 王伏林（ 联系 人） ，副教授，博士，wangfulin － 01@ 163． com
能展开了研究，主要方法有切削试验法［1-2］、有限元 模拟法［3-4］。传统的试切法会耗费大量的 材 料、成 本高而且很难获取切削过程中刀具的温度、工件残 余应力等信息。随着有限元技术的发展及计算机性 能的提高，采用有限元法模拟切削加工过程已成为 一种有效 的 研 究 材 料 切 削 性 能、优 化 切 削 参 数 的 方法。
Fu Jie，Wang Fulin，Yang Xujing，Zhu Keyi
（ College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 410082）
ห้องสมุดไป่ตู้
Abstract： A two-dimensional orthogonal thermo-mechanical coupling a cutting model of Ti-6Al-4V is developed to precisely model the cutting process of titanium alloy． The crack extending energy theory in fracture mechanics is integrated into cutting simulation to act as material damage evolution criteria． The ultimate shear stress in tool and chip interface is considered to change with coefficient of friction，in which the coefficient of friction is also treated to a function of temperature． The finite element model is validated through turning experiment and chip metallographic observation experiment． The results show that simulation cutting force and segmented chip morphology well coincide with the experimental． The machining surface residual stress is analyzed． The effect of rake angle on chip damage degree，morphology，shear angle，tool temperature is predicted based on the validated model． Key words： ABAQUS； computer simulation； constitutive models； cutting simulation； cutting； damage evolution；
Yigit［5］等将流动软化效应融入 Johnson-Cook 本 构方程，利用网格重划分技术，在不考虑材料失效的 情况下模拟了切削 Ti-6Al-4V 时的绝热剪切带及锯齿 状切屑。Zhang［6］研究了切削过程前刀面与切屑的摩
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机械科学与技术
第 33 卷
擦接触，结合有限元模拟与接触力学理论分析得出了 刀具 / 切屑接触面上的极限剪切应力与摩擦系数的近 似关系式。杨勇［7］等采用任意拉格朗日-欧拉方法模 拟切削 Ti-6Al-4V 时锯齿状切屑的形成过程，指出了 锯齿状切屑的形成机理是靠近切削尖处的材料发生 热塑性失稳，但没有考虑材料损伤演化。
－ ξ
pl D
为临界等效塑性应变。
[ ( )] [ ( )] －
ξ
pl D
=
d1
+ d2exp
d3
σp σMises
·ξ－ × 1 + d4 ln ·－
ξ0
×
[ ( ) ] 1 + d5
T － Troom Tmelt － Troom
（ 3）
式中： σp 为静水压应力； σMises 为米塞斯应力； ·ξ－0 为
变概率。该模型没有采用分离线，也没有对网格作
预先扭曲处理，更符合实际切削过程。
1． 3 材料本构模型
切削加 工 涉 及 到 大 应 变、高 应 变 率 及 高 温， Johnson-Cook［9］热粘塑性本构模型综合考虑了应变、
应变率、温度对应力的影响，适合描述切削过程中材
料的性质，方程为
[ ( )][ ( ) ] σ－
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1. 4. 1 损伤初始准则
采用 Johnson-Cook 剪切失效准则作为材料损伤初
始准则，基于单元积分点的等效塑性应变来定义损伤
参数 ω，当 ω 的值达到 1 时，单元开始失效，定义为
( ) n
ω=∑ j =1
Δ
－ ξ
pl
－ ξ
pl D
（ 2）
式中：
Δ
－ ξ
pl
是单元积分点的等效塑性应变增量；