涂层硬质合金立铣刀切削TC4仿真研究

    TC4是典型的α-β钛合金，具有力学性能好、比强度高、高温低温性能优良、抗腐蚀性能优异等突出特点，已在航空航天、汽车、船舶制造、生物医学等领域得到广泛应用。但是从切削加工性能看，TC4低的热传导率、高的切削温度使得刀具磨损加快、刀具寿命缩短、加工效率降低。研究表明加工时加入切削液可提高刀具使用寿命[1]，但是使用切削液会增加加工成本，加重环境污染[2]，因此常采用干切削加工方式。选择合理的刀具涂层材料及涂层厚度可有效克服干切削中刀- 屑接触面摩擦和切削温度增加的缺点，是提高钛合金加工效率的有效途径。
    刀具涂层工艺主要采用PVD或CVD2种技术。常用的涂层材料包括TiN、TiCN、TiAlN及Al2O3。很多学者通过切削试验或有限元仿真研究了涂层对刀具切削性能的影响。张士军[3]采用解析方法揭示了涂层材料及涂层厚度对刀具切削温度的影响规律，计算结果表明涂层材料的热传导率越小、涂层厚度越大，涂层刀具的切削温度就越低。T.Ozel等[4]采用切削试验及三维有限元仿真方法研究了未涂层、TiAlN涂层及TiAlN/CBN涂层硬质合金刀具对TC4加工时的切削力、切削温度及刀具磨损的影响，研究发现TiAlN涂层刀具的切削性能最佳。M.Nouari等[2]采用切削试验方法研究了未涂层和多层涂层（TiC、TiN及TiCN交替涂层，9层共10μm厚）硬质合金刀具干切削钛合金时的刀具寿命和加工表面质量，得到了刀具使用寿命最长时的切削速度范围，同时使用有限元分析法模拟了2种刀具加工钛合金时的切削温度分布云图。Irfan等[5]采用未涂层及不同涂层材料（TiCN+Al2O3+TiN 和Al2O3）刀具切削加工时的切削力、切削温度，结果显示Al2O3涂层刀具的切削温度最低。
    本文首先利用有限元分析软件AdvantEdge建立立铣刀三维铣削模型，然后将铣削TC4试验得到的切削力与有限元模拟结果对比以验证三维铣削模型的正确性，最后通过有限元分析硬质合金立铣刀的涂层厚度（1μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm）及涂层材料对刀具切削温度、切削及单位切削能的影响规律。涂层材料分为5种：未涂层、TiAlN（4μm）、Al2O3（4μm）、Al2O3/TiN（2μm/2μm）、TiAlN/Al2O3/TiN（2μm/1μm/1μm）,编号依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
    立铣刀三维铣削有限元模型及试验验证
    1 TC4材料本构模型
    有限元分析中，在高应变率条件下输入精确的材料流动应力模型是描述工件材料本构行为的有效方法[6]。工件材料的流动应力通常定义为应变、应变率和温度的函数。AdvantEdge软件中本构方程的幂指数材料模型如式（1）所示：
    σεp,·ε,T= g (εp)·Γ·ε·Θ(T)，（1）σ式中，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是σ塑性应·Θ变(T，)εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是应变·硬Θ(Tσ化函数；εp,·ε，T=g (εp)·Γ·εσ是·Θ应(变T)率，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε是·Θ应(T变)率σ敏感系数；T是温度，εp,·ε，T=g (εp)·Γ·ε·Θ(T)是热软化系数，本文仿真时采用AdvantEdge软件材料库中有关TC4的本构方程系数。
    工件材料TC4钛合金的化学成分如表1所示。工件材料TC4钛合金的物理性质包括：弹性模量E=114GPa，热传导率λ=7.05~16.24W/m·℃， 比热容Cp =2.27~3.81N/mm2·℃，泊松比υ=0.34，密度ρ=4428kg/m3，热扩散系数α=9.6×10-6/℃ [4,6]。
    试验采用刀具涂覆TiAlN涂层，且厚度为5μm，TiAlN的热传导率如表2所示，弹性模量E=380GPa，微硬度为3300HV。
    2 立铣刀三维铣削有限元模型
    使用有限元分析软件AdvantEdge模拟分析立铣刀三维铣削钛合金TC4的加工过程。边界条件定义为刀具绕Z轴的旋转运动和直线进给运动，使用拉格朗日方法进行计算。采用网格重划分、自适应网格技术及网格收敛技术以获得最优的网格（图1）。刀具及工件的网格类型均为4节点12自由度的四面体单元。工件的最大及最小单元尺寸分别为2mm、0.15mm，刀具的最大及最小单元尺寸分别为1mm、0.1mm。
    3 铣削试验验证
    有限元软件的分析精度很大程度上依赖于所建立的三维模型及使用的材料本构模型的准确性和精确性。本文通过将试验所得切削力与仿真分析所得切削力对比以验证所建立的三维模型及材料本构模型的准确性和精确性，即有限元仿真分析的有效性。铣削试验采用DAEWOOACE-V500立式加工中心，最高转速为10000r/min，功率为15kW；使用Kistler-9275A测力仪测量铣削过程切削力；使用的刀具为整体硬质立铣刀，刀具参数及切削参数见表3、表4。
    仿真中刀具几何参数如表3所示，设置刀具绕Z轴旋转720°，模拟切削时间0.06s，试验与模拟得到的X、Y、Z方向切削力对比如图2所示。图中各项目的切削条件如下：
    Ⅰ：v=60m/min , fz=0.1mm/Z ,ae=2mm，ap=3mm；
    Ⅱ：v=60m/min, fz=0.15mm/Z,ae=3mm, ap=5mm;
    Ⅲ：v=90m/mi n，fz=0.05mm/Z,ae=3mm，ap=5mm;
    Ⅳ：v=90m/min, fz=0.15mm/Z,ae=2mm，ap=1mm。