發(fā)布日期：2025-4-12 11:31:09
鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）具有耐高溫、耐腐蝕、比強(qiáng)度高、焊接性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、石油、化工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1].由于TC4是鈦合金中可以熱處理強(qiáng)化的（α+β）型鈦合金，故常采用表面滲氧強(qiáng)化[2]、激光表面強(qiáng)化[3]等強(qiáng)化處理方式來(lái)改善和提高其表面硬度和耐磨性，強(qiáng)化處理后硬度可達(dá)40-60HRC.TC4具有導(dǎo)熱率低（只有鋁的1/10）、屈強(qiáng)比高、塑性變形范圍窄小、切削區(qū)應(yīng)力大等特點(diǎn)[4]，對(duì)機(jī)械加工而言，屬于難加工材料.考慮到刀具壽命，鈦合金TC4的切削速度通常在60m·min−1以下，零件加工效率低、成本高、質(zhì)量難以保證等問(wèn)題限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用拓展[5].
激光輔助切削技術(shù)是一種在機(jī)械切削過(guò)程中引入同步激光束輻照加熱軟化材料以改善切削性能的新方法[6]，尤其適合提升難加工材料如鈦合金、陶瓷、玻璃等的可加工性，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究.König等[7]率先將激光加熱輔助車(chē)削技術(shù)應(yīng)用于氮化硅陶瓷材料的加工，改善了材料的加工性能，獲得了表面粗糙度Ra低于0.5μm的加工表面.Hojati等[8]的研究表明，利用激光加熱溫度提升至250℃后，可將Ti6Al4V的加工刀具壽命提高1.7倍，通過(guò)加工效率的提升可降低30%的加工成本.王進(jìn)[9]對(duì)GH4169材料進(jìn)行了激光加熱輔助車(chē)削實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，激光加熱輔助車(chē)削能顯著提高表面完整性.Anderson等[10]對(duì)Inconel718材料進(jìn)行了激光加熱輔助車(chē)削加工，與常規(guī)加工相比，比切削能（去除單位體積材料所需要的切削能量）降低25%[11]，刀具壽命提高2―3倍.賈茹[12]研究了激光掃描速度和激光功率對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料表面及內(nèi)部溫度分布的影響規(guī)律，結(jié)果表明，較高的激光功率和較低的切削速度能夠獲得較好的溫度場(chǎng).
激光輔助切削技術(shù)可使工件在切削之前獲得局部高溫，從而從熱軟化中受益，其核心工藝是通過(guò)調(diào)節(jié)激光參數(shù)精準(zhǔn)控制切削區(qū)域（及熱影響區(qū)）的實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)控其切削力和切屑形態(tài)，提升切削質(zhì)量，改善刀具磨損問(wèn)題.切削區(qū)域的溫度[13]對(duì)切削機(jī)理、刀具磨損以及加工表面質(zhì)量等起著決定性的作用，溫度過(guò)低無(wú)法體現(xiàn)激光輔助加工的作用，溫度過(guò)高則會(huì)破壞材料，破壞鈦合金的微觀組織，從而導(dǎo)致鈦合金強(qiáng)度、硬度下降，影響其耐腐蝕性能，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重粘刀、加劇刀具磨損的現(xiàn)象.可見(jiàn)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)切削區(qū)域在激光束同步輻照下的熱力耦合效應(yīng)對(duì)于激光輔助切削工藝控制至關(guān)重要.文獻(xiàn)[14-15]針對(duì)AISI4340、42CrMo4材料的激光輔助車(chē)削過(guò)程進(jìn)行了熱力順序耦合仿真，即先將車(chē)削過(guò)程建模為無(wú)熱源的正交車(chē)削過(guò)程，然后在模型中加入激光熱源模型進(jìn)行順序耦合，其多步耦合仿真誤差較大且費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，尤其對(duì)激光輔助加熱對(duì)鈦合金切削力及切屑形成調(diào)控機(jī)制難以準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè).為此，本文采用熱力直接耦合方法，以TC4為加工對(duì)象，建立了單一的激光輔助車(chē)削過(guò)程的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元仿真模型，研究了不同參數(shù)（光斑大小、激光功率）激光輻照下的熱力耦合效應(yīng)以及切削力及和切屑形成的調(diào)控機(jī)制.
1、熱力耦合仿真模型
本文仿真鈦合金TC4（棒料，D=20mm）的主要熱物性參數(shù)如表1.
按Johnson-Cook模型建立TC4工件的本構(gòu)方程，如式（1）：
J-C本構(gòu)方程主體由3部分構(gòu)成，分別表征材料的應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率強(qiáng)化以及熱軟化.模型全方位考慮了流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率以及溫度之間的關(guān)系，能夠滿(mǎn)足各種條件下的仿真材料需求.式（1）中，A為準(zhǔn)靜態(tài)下屈服強(qiáng)度，B為應(yīng)變硬化系數(shù)，C為應(yīng)變速率常數(shù)，εp為應(yīng)變，ε̇0為參考應(yīng)變率，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，m為熱軟化系數(shù)，Troom為室溫，Tmelt為材料熔點(diǎn)溫度.數(shù)值如表2所示.
在機(jī)械車(chē)削旋轉(zhuǎn)工件上布置同步軸向移動(dòng)激光熱源，建立3維瞬態(tài)傳熱模型（見(jiàn)圖1）.采用Abaqus有限元仿真軟件，將工件的切削面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以提高激光輻照時(shí)材料表面溫度場(chǎng)精度，共有155628個(gè)網(wǎng)格單元，平均尺寸為0.15mm，類(lèi)型為溫度-位移耦合型.
激光熱源在用Fortran2015編寫(xiě)的Vdflux子程序的幫助下以熱流形式定義，如式（2）表示的高斯分布表面熱源方程[17]：
其中，n為工件對(duì)激光的吸收率（本文中標(biāo)定為0.30[18]），Q為激光的功率，R為激光光斑的半徑，r為到激光光斑中心的距離.在激光輻照下，工件溫度迅速升高，工件表面與周?chē)諝庵g的輻射傳熱由式（3）計(jì)算：
其中，σ和ε分別為斯蒂藩-玻爾茲曼常數(shù)和發(fā)射率；q為熱流密度，單位為W·m−2.根據(jù)Yang等[19]對(duì)鈦合金TC4表面發(fā)射率的研究，將鈦合金表面發(fā)射率設(shè)為0.22.此外，考慮工件表面與周?chē)h(huán)境之間的熱對(duì)流，用式（4）表示：
其中，h表示對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W·m−2·K−1.導(dǎo)熱主要描述固體間的熱量傳遞，可以用傅里葉定律來(lái)描述，q可表示為式（5）：
其中，k表示熱導(dǎo)率，單位為W·m−1·K−1；T表示溫度，單位為K；¶T/¶x表示沿導(dǎo)熱熱量傳遞方向上的溫度變化率，負(fù)號(hào)表示溫度從高溫向低溫部分傳遞.激光束光斑與切削位置之間的相對(duì)間距應(yīng)足夠短，以減少激光加熱的冷卻.然而，相對(duì)間距過(guò)短會(huì)使激光束直接反射到刀具上，損傷刀具壽命，故相對(duì)間距設(shè)置為6mm.本文采用典型YG6X車(chē)刀（熱物性參數(shù)見(jiàn)表3），主偏角為35°，副偏角為16°，刃傾角為0°.刀具的網(wǎng)格采用和工件一樣的溫度位移耦合，采用縮減積分，將靠近主切削刃部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，一共劃分為1560個(gè)網(wǎng)格.
在溫度場(chǎng)模型中，將工件的切削面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以提高結(jié)果的精度，更好地分析激光加熱時(shí)材料表面的溫度分布，將工件進(jìn)行空心化處理，以節(jié)省計(jì)算資源.將半徑在9―10mm之間的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，平均網(wǎng)格尺寸為0.15mm，將半徑小于9mm的工件內(nèi)部劃分成平均網(wǎng)格尺寸為1mm的更大網(wǎng)格，一共有155628個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格類(lèi)型為溫度-位移耦合型.
2、結(jié)果與討論
2.1激光輔助車(chē)削區(qū)域溫度的調(diào)控因素及規(guī)律
根據(jù)激光輔助車(chē)削工藝原理，其切削區(qū)域溫度主要受激光參數(shù)（激光功率、光斑尺寸）和切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量）協(xié)同調(diào)控.為此，以準(zhǔn)瞬態(tài)0.75mm3切削體積（對(duì)應(yīng)0.1s切削量）的最高溫度為切削區(qū)域溫度特征指標(biāo)，設(shè)計(jì)了4因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表，仿真分析激光輔助車(chē)削區(qū)域溫度的調(diào)控因素及其規(guī)律，結(jié)果如表4及圖2所示.
將輸出點(diǎn)溫度與激光參數(shù)及切削參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示，光斑半徑的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05，表明其對(duì)輸出點(diǎn)的溫度影響很小，這是因?yàn)檩敵鳇c(diǎn)溫度主要與激光和工件的相互作用時(shí)間有關(guān)，光斑大小只會(huì)影響其光斑范圍內(nèi)的溫度大小，對(duì)輸出點(diǎn)溫度影響不大，故在后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)中固定d0=1mm.進(jìn)給量對(duì)工件徑向溫度傳導(dǎo)最重要，會(huì)使激光在工件表面上運(yùn)動(dòng)的更快，工件表面瞬態(tài)切削體積的激光輻照時(shí)間和熱輸入量相對(duì)減少.
2.2激光輔助車(chē)削的切削力調(diào)控規(guī)律
利用Abaqus選擇動(dòng)力溫度-位移顯式進(jìn)行車(chē)削仿真，如圖3所示，常規(guī)車(chē)削對(duì)工件溫度場(chǎng)的影響較小且絕大部分熱量被切屑帶走，相比激光輻照對(duì)切削區(qū)域的溫度影響可以忽略.建立激光加熱輔助車(chē)削有限元仿真模型，并與常規(guī)加工進(jìn)行比較，研究激光輻照下主切削力降低最多的切削深度.在進(jìn)行車(chē)削仿真模擬材料去除過(guò)程時(shí)，需要建立適當(dāng)?shù)那行挤蛛x準(zhǔn)則.
本文仿真采用Johnson-Cook失效準(zhǔn)則，其失效參數(shù)由式（6）給出：
其中，D表示失效參數(shù)，Dε為等效塑性應(yīng)變?cè)隽浚?epsilon;f為失效應(yīng)變.εf定義由式（7）給出：
其中，σ*為相對(duì)應(yīng)力，D1―D5為失效參數(shù)，數(shù)值由表6給出.
對(duì)激光加熱輔助車(chē)削模型和常規(guī)切削模型進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)置0.1mm―0.5mm等差遞增的切削深度，在低溫車(chē)削條件（vc=65m·min−1，f=0.15mm·r−1）、高溫車(chē)削條件（vc=45m·min−1，f=0.1mm·r−1）、激光輔助低溫車(chē)削條件（P=400W，切削區(qū)域溫度＜250℃）、激光輔助高溫車(chē)削條件（P=600W，切削區(qū)域溫度＞350℃）下，比較切削力的變化，結(jié)果如圖4.
由圖4可以看出，在激光輔助低溫車(chē)削條件下，隨著切削深度的變化，與低溫車(chē)削條件相比，主切削力最高降低9.8%，平均降低6.1%；在激光輔助高溫車(chē)削條件下，切削深度越大，主切削力降低越明顯，平均降低了13.6%，尤其當(dāng)切削深度為0.5mm時(shí)，主切削力最多降低20.69%，可見(jiàn)激光輻照可以有效降低車(chē)削的主切削力.但是，由于激光輻照加熱使得加工表面溫度非常高而在深度方向上下降又很快（如圖5、圖6（a）所示），所以當(dāng)切削深度小于0.2mm時(shí)，切削區(qū)域溫度為463℃，這種情況易導(dǎo)致工件與刀具熱應(yīng)力粘連，反而使得主切削力增加，因此要根據(jù)工件材料熱物理性質(zhì)選擇合適的切削深度和激光輻照加熱溫度，以實(shí)現(xiàn)最大化降低主切削力.
2.3激光輔助車(chē)削的切屑形狀調(diào)控規(guī)律
在鈦合金車(chē)削過(guò)程中，通常會(huì)形成不同于傳統(tǒng)切屑（變形均勻）的鋸齒狀切屑.鋸齒狀切屑內(nèi)部不同部位的變形非常不均，由變形程度很大的窄帶和變形很小的鋸齒基塊組成，外表面呈現(xiàn)規(guī)律的鋸齒狀.絕熱剪切理論認(rèn)為，高速切削中存在很高的應(yīng)變速率，剪切變形高度集中在狹小的剪切面上，這使得材料塑性變形產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散發(fā)，從而導(dǎo)致金屬材料的溫度局部增加，使得材料的熱軟化效應(yīng)增強(qiáng).材料在高應(yīng)變速率條件下的變形主要取決于兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的因素：一是由于應(yīng)變?cè)黾訉?dǎo)致的加工硬化現(xiàn)象，二是由于絕熱溫升導(dǎo)致的熱軟化效應(yīng).當(dāng)熱軟化效應(yīng)大于應(yīng)變、應(yīng)變率的強(qiáng)化效應(yīng)時(shí)，材料產(chǎn)生熱塑性失穩(wěn)，產(chǎn)生絕熱剪切帶，絕熱剪切帶周期性間隔分布形成鋸齒形切屑[20].在本文討論的外圓車(chē)削過(guò)程中，刀具刃傾角為0°（直角切削），即刀具的切削刃與切削速度方向垂直，切屑沿著刀具的刀刃法線流出，故采用二維正交車(chē)削模型（見(jiàn)圖7）來(lái)研究切屑形貌，將刀具的前角γ設(shè)置為−10°，后角α設(shè)置為6°.
采用Schulz提出的Gs指標(biāo)[21]（鋸齒狀切屑的齒頂高與齒底高的差值與齒頂高之比）進(jìn)行量化表征，如式（8）：
其中，H為齒頂高，h為齒底高.測(cè)量方法如圖8.
鋸齒化頻率表示單位時(shí)間或者單位長(zhǎng)度上鋸齒節(jié)塊的個(gè)數(shù)，反映切削過(guò)程中鋸齒節(jié)塊產(chǎn)生的快慢.鋸齒化頻率有不同的表示方式，本文中采用單位時(shí)間內(nèi)的鋸齒化頻率，n表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)內(nèi)鋸齒單元的數(shù)量，v表示切削速度.計(jì)算方法由式（9）[22]給出，測(cè)量方法如圖8給出.
圖9為常規(guī)車(chē)削和激光輔助車(chē)削工況下切屑鋸齒化程度和鋸齒化頻率隨著切削速度的變化趨勢(shì)圖.可以看到，與常規(guī)車(chē)削相比，相同切削速度下，激光輔助車(chē)削的切屑鋸齒化程度得到有效降低，鋸齒化頻率增高.鋸齒化程度Gs的大小主要取決于前一個(gè)鋸齒單元相對(duì)后續(xù)鋸齒單元向外滑移的距離L，滑移量主要取決于切削底層材料發(fā)生熱塑性失穩(wěn)的體積.激光輔助車(chē)削時(shí)，由于激光輻照所致的更高切削區(qū)域溫度，材料的熱軟化效應(yīng)增強(qiáng)，靠近刀尖處的切削層熱軟化效應(yīng)更易超過(guò)應(yīng)變和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，這使得材料更容易產(chǎn)生熱塑性失穩(wěn).單位切削寬度內(nèi)靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑性失穩(wěn)的體積呈減小趨勢(shì)，導(dǎo)致鋸齒化程度降低.鋸齒化頻率ft與齒距呈反比.激光輔助車(chē)削時(shí)，一個(gè)鋸齒單元形成所對(duì)應(yīng)的切削路程縮短，齒距隨之減小，鋸齒狀切屑的齒距比普通車(chē)削的齒距呈減小趨勢(shì)，使得激光輔助加工下鋸齒狀切屑的鋸齒化頻率增加.
3、結(jié)論
本文對(duì)激光輔助車(chē)削加工鈦合金TC4進(jìn)行了三維準(zhǔn)瞬態(tài)熱力耦合仿真研究，揭示了激光輻照切削區(qū)域的溫度場(chǎng)形態(tài)及其對(duì)切削力和切屑形貌的影響機(jī)制，主要結(jié)果如下.
1）準(zhǔn)瞬態(tài)切削體積的最高溫度主要受激光參數(shù)（激光功率、光斑尺寸）和切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量）協(xié)同調(diào)控.工件表面瞬態(tài)切削體積的激光輻照時(shí)間和熱輸入量主要受進(jìn)給量控制.
2）激光輻照可有效降低主切削力.應(yīng)根據(jù)工件材料熱物理性質(zhì)選擇合適的切削深度和激光輻照加熱溫度，以實(shí)現(xiàn)最大化降低主切削力.當(dāng)激光輔助輻照鈦合金TC4的切削區(qū)域溫度大于350℃、切削深度為0.5mm時(shí)，主切削力最大降低了20.69%，平均降低了13.6%.
3）與常規(guī)車(chē)削相比，相同切削速度下，激光輔助車(chē)削的切屑鋸齒化程度均得到有效降低，鋸齒化頻率增高.因?yàn)榧す廨椪�，切削區(qū)域溫度升高，材料發(fā)生熱塑性失穩(wěn)的體積呈減小趨勢(shì)，所以與常規(guī)車(chē)削相比，在相同的切屑長(zhǎng)度下，激光輔助車(chē)削可獲得更小的切屑齒距.
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