鎳基高溫合金具有高溫強度高、抗氧化性好、耐熱性和耐腐蝕性強等特性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其主要應(yīng)用于制作航空發(fā)動機的渦輪葉片、渦輪盤和凸輪軸等零部件 。可是，鎳基高溫合金材料因其導(dǎo)熱系數(shù)低、塑性變形大等加工特性，常會導(dǎo)致切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)峻和切屑不易折斷等現(xiàn)象，很大程度上導(dǎo)致刀具壽數(shù)、工件表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率的降低。因而，研討鎳基高溫合金切削過程中的刀具磨損特性對航空發(fā)動機零部件的生產(chǎn)加工具有重要意義。

1 建立車削有限元仿真模型

1.1 建立工件及刀具幾何模型

運用軟件樹立刀具及工件幾何模型。為了對不同磨損量下的刀具進行仿真，樹立了不同后刀面磨損量的刀尖幾許模型，后刀面磨損量 VB 分別為 0、0.1mm、0.2mm、0.3mm，如圖 1 所示。為了保證仿真與實際工況更挨近、仿真功率更高，工件模型樹立如圖 2 所示的帶有預(yù)切部分的三維模型。

1.2 刀具和工件的材料設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在本文的有限元仿真模型中，刀尖部分與工件部分分別設(shè)置為剛體與塑性體。刀具資料為硬質(zhì)合金，涂層材料為 TiAlN，涂層厚度為 5μm。工件材料為鎳基高溫合金GH4169，方程式如下 ：

運用有限元仿真軟件進行切削仿真時，工件會在切削加工過程中產(chǎn)生塑性變形，網(wǎng)格區(qū)分的好壞是仿真模型成功與否的要害，若網(wǎng)格的區(qū)分不合理，常會出現(xiàn)網(wǎng)格畸變現(xiàn)象，影響模型塑性變形的迭代收斂性，導(dǎo)致仿真成果的準(zhǔn)確性降低，乃至?xí)狗抡鏌o法進行?？紤]了仿真精度及效率等歸納要素，本文的網(wǎng)格區(qū)分方法運用相對網(wǎng)格區(qū)分，并對工件和刀尖部分進行了局部區(qū)分，工件網(wǎng)格局部區(qū)分比率為 0.5，刀尖網(wǎng)格局部區(qū)分比率為 0.1，如圖 3 所示。

1.3 摩擦模型及分離準(zhǔn)則

在金屬切削加工過程中，刀具與工件之間的摩擦不僅規(guī)律復(fù)雜且不可避免。軟件 DEFORM 中提供的摩擦模型有以下 3 種：剪切摩擦模型、混合摩擦模型和庫倫摩擦模型。目前，應(yīng)用較為成熟且適用于模具接觸的摩 擦類型為剪切摩擦模型，故本文有限元模型的摩擦類型選用為剪切摩擦模型。剪切摩擦模型方程式：

τf = uk?

式中，τf 是摩擦力；k 是剪切屈服極限；u 是摩擦系數(shù) (0 ≤ u ≤ 1)。

分離準(zhǔn)則的選擇將直接關(guān)系到仿真模型能否更 加真實地反映工件材料的物理性能和力學(xué)性能。本 文選用模型 Cockroft-Latham 來制定切屑分離準(zhǔn)則， 并將臨界值 D 設(shè)置為 500。

2 有限元仿真結(jié)果分析

2.1 刀具磨損對切削力的影響

選取不同后刀面磨損量 VB（0、0.1mm、0.2mm 和 0.3mm）的刀具模型，分別以切削速度 40m/min、進給量 0.1mm/r 和背吃刀量 0.5mm 的切削參數(shù)模擬 GH4169 切削過程。圖 4 所示為 VB=0 時 X、Y 和 Z 方向切削力 的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果中可以明顯看出，剛步入切削 過程時，X、Y 和 Z 方向的切削力都呈急劇增長趨勢，過 了 4.30×10–3s 后，3 個方向的平均力均趨于穩(wěn)定。仿真 過程中 X 方向切削力為進給方向的分力，Y 方向切削力 為切削速度方向的分力，其數(shù)值最大，Z 方向切削力為 切深方向的分力。

圖 5 所示為不同后刀面磨損量下 X、Y 和 Z 方向切 削力曲線圖。隨著后刀面磨損量的增加，切削過程中 的擠壓力和摩擦力不斷增大，導(dǎo)致切削力也不斷增加。 后刀面磨損量 VB 從 0.1mm 到 0.2mm，X、Z 方向的切 削力增幅不是很大，Y 方向切削力有明顯增幅，這主要 是由于后刀面磨損量在 0~0.2mm 之間時，刀具處于正常磨損階段，故 X、Z 方向的切削力增幅不是很大，而 Y 方向切削力為主切削力，故數(shù)值增幅明顯；當(dāng) VB 超過0.2mm 時，X、Y 和 Z 方向的切削力增長趨勢都很顯著，這主要是由于刀具磨損量增加到一定限度時，刀具達到了急劇磨損階段，切削力急劇增高，刀具磨損速度加快；當(dāng) VB=0.3mm 時，其 Y 方向切削力相對于未磨損刀具增加了 4 倍左右，X、Z 方向的切削力相對于未磨損刀具增加了 2 倍左右。

2.2 刀具磨損對切削溫度的影響

圖 6 所示為不同后刀面磨損量下的切削溫度仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果中明顯看出，當(dāng)后刀面磨損量從 0 增 加到 0.2mm 時，最高切削溫度升高了 258℃，這主要是由于隨著后刀面磨損量的增加，切削刃變鈍，摩擦力增加，熱量增加，故刀具與工件接觸區(qū)的最高切削溫度增加。當(dāng) VB 到達0.3mm 時，刀具與工件接觸區(qū)的最高切削溫度為681℃，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于刀尖處的磨損量過大導(dǎo)致切削過程中切深減小和接觸面積增加，進而導(dǎo)致刀具與工件接觸產(chǎn)生的熱量變小、散熱面積增加。

3 鎳基高溫合金車削試驗驗證

3.1 試驗設(shè)備及裝置

為了驗證本文有限元仿真模型的準(zhǔn)確性，進行了車削試驗，圖 7 為試驗現(xiàn)場布局圖。試驗所用機床為數(shù)控車床，工件材料采用鎳基高溫合金 GH4169；刀具采用有斷屑槽的 CNMG120408-MJ 刀片；切削力的測量采用 KISTLER 的壓電式測力儀，壓電式測力儀輸出的電荷信號經(jīng)過配套的電荷放大器放大，再經(jīng)過數(shù)采箱實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；后刀面磨損量的測量采用超景深顯微鏡。

試驗過程中，每次均選用一個未磨損的刀片在切削速度 40m/min、進給量 0.1mm/r 和背吃刀量 0.5mm的切削參數(shù)下分別按 13 組時間進行車削試驗（13 組切削時間是 0.5~12.5min 內(nèi)以 0.5min 為時間間隔進行選取的）。試驗結(jié)束后，通過超景深分別對 13 組刀具進行測量。

如圖 8 所示，選擇后刀面磨損量約為 0、0.1mm、0.2mm、0.3mm 的 4 把刀片，切削時間分別為 0、2.5min、5min、9min。從已磨損的刀具上可以看出，在磨損區(qū)域的刀具呈亮白色，這主要是由于刀具與工件之間摩擦造成的涂層脫落。

3.2 結(jié)果分析與討論

選取不同后刀面磨損量的 4 個刀片，分別以切削速度 40m/min、進給量 0.1mm/r 和背吃刀量 0.5mm 的切削參數(shù)下進行切削試驗。本文以切削力平均值進行 研究分析，其刀具后刀面磨損加劇，X 方向進給力、Y 方向主切削力和 Z 方向切深抗力均有不同程度的增加。當(dāng) VB=0.1mm 時，X 方向的切削力較未磨損刀具增幅25.3%、Z 方向的切削力較未磨損刀具增幅 15.3%，Y 方向切削力增幅最為顯著，較未磨損刀具增幅 38.5% ；當(dāng)VB=0.2mm 時，X 方向的切削力較 VB=0.1mm 時增幅21.7%、Z 方向的切削力較 VB=0.1mm 時增幅 29.4%，Y方向切削力較 VB=0.1mm 時增幅 45.9%；當(dāng) VB=0.3mm時，X 方向的切削力較 VB=0.2mm 時增幅 139%、Z 方向的切削力較 VB=0.2mm 時增幅 147.3%，Y 方向切削力較 VB=0.2mm 時增幅 156.9%，相對于未磨損刀具增加了 4 倍多。這主要是由于后刀面磨損量在 0~0.2mm之間時，刀具處于正常磨損階段，故 X、Y 和 Z 方向的切削力增幅不是很大，當(dāng) VB 超過 0.2mm 時，X、Y 和 Z 方向的切削力增長趨勢都很顯著，這主要是由于刀具磨損量增加到一定限度時，刀具達到了急劇磨損階段，切削力急劇增高，刀具磨損速度加快。

圖 9 為不同后刀面磨損量下切削力的試驗與仿真對比圖，其中刀具后刀面磨損量 VB=0 時，X、Y 和 Z方向的仿真銑削力誤差范圍在 6%~8% 之間，精度較高；當(dāng)后刀面磨損量 VB=0.1mm 時，X、Y 和 Z 方向的仿真銑削力誤差范圍在 10%~13% 之間，精度較好；當(dāng)后刀面磨損量 VB=0.2mm 時，X、Y 和 Z 方向的仿真銑削力誤差范圍在 6%~20% 之間，精度一般；當(dāng)后刀面磨損量 VB=0.3mm 時，X、Y 和 Z 方向的仿真銑削力誤差范圍在 15%~25.6% 之間，誤差達到最大。隨著后刀面磨損量的增加，誤差隨著增大，其原因一是可以歸結(jié)于有限元模型建立時相應(yīng)邊界條件的簡化；二是由于 GH4169 材料的本構(gòu)關(guān)系模型是通過試驗數(shù)據(jù)擬合而來，具有一定偏差，導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗數(shù)值產(chǎn)生了一定誤差。雖然仿真值與試驗值有一定誤差，然而從整體趨勢上看，仿真與試驗較為一致。所以建立的有限元仿真模型是符合實際的，對實際加工具有一定的指導(dǎo)意義。仿真與試驗結(jié)果均表明后刀面磨損量超過0.2mm 時的切削力明顯增大，刀具處于急劇磨損階段，因此在鎳基高溫合金 GH4169 車削精加工過程中，硬質(zhì)合金刀具最優(yōu)加工時間應(yīng)選擇在后刀面磨損量達到0.2mm 之前。

4 結(jié)論

本文利用有限元技術(shù)和試驗相結(jié)合的方法，對鎳基高溫合金 GH4169 的切削過程進行了研究，分析了不同后刀面磨損量下的切削力及切削溫度變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

（1）隨著后刀面磨損量的增加，切削力及切削溫度逐漸增加。當(dāng) VB ＞ 0.2mm 時，切削力急劇增長，刀具達到了急劇磨損階段。

（2）鎳基高溫合金 GH4169 車削精加工過程中，硬質(zhì)合金刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn) VB 建議為 0.2mm。