基于ABAQUS的微织构刀具切削钛合金仿真研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.03.009

摘要/Abstract

摘要：

构建无织构刀具和呈微凹坑、平行槽、垂直槽、斜向槽形貌的微织构刀具模型，并利用有限元分析软件ABAQUS研究了微织构刀具对钛合金车削过程的影响。通过分析不同形貌微织构刀具在切削过程中的切削力、摩擦系数、切削温度和工件表面残余应力，确定了较优的微织构形貌；研究了切削速度对微织构刀具切削钛合金性能的影响。结果表明，微织构刀具能有效降低切削力、摩擦系数和切削温度，使工件表面残余应力由拉应力转变为压应力，其中垂直槽微织构刀具能最有效地改善切削质量；随着切削速度的提高，切削力和切削温度增大，摩擦系数减小，工件表面残余应力由压应力向拉应力转变并有增大的趋势。

关键词: ABAQUS, 微织构刀具, 钛合金, 切削速度, 切削性能

Abstract:

A model of a micro-texture tool featuring various textures such as micro-pits, parallel grooves, vertical grooves, and oblique grooves was developed. The impact of these micro-texture tools on the turning process of titanium alloy was investigated using the finite element analysis software ABAQUS. Through an examination of cutting force, friction coefficient, cutting temperature, and surface residual stress for micro-texture tools with distinct morphologies, the optimal micro-texture morphology was determined. The findings reveal that micro-texture tools can effectively reduce the cutting force, friction coefficient, and cutting temperature while transforming surface residual stress from tensile to compressive on the workpiece. Furthermore, with increasing cutting speed, cutting force and cutting temperature rises, friction coefficient decrease, and the residual stress on the workpiece surface shifts from compressive to tensile stress, exhibiting an ascending trend.

Key words: ABAQUS, Micro-texture tool, Titanium alloy, Cutting speed, Cutting performance

中图分类号:

TG71

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图/表 15

图1 刀具模型的尺寸

Fig.1 The model size of the tool

图2 硬质合金刀具切削钛合金的三维模型

Fig.2 Three-dimensional model of cutting titanium alloy with cemented carbide tool

图3 微织构刀具的结构及网格划分（a）无织构（b）微凹坑（c）平行槽（d）垂直槽（e）斜向槽

Fig.3 Micro-texture tool structure and meshing

表1 TC4 的 Johnson-Cook 本构模型参数

Table 1 Johnson-Cook constitutive model parameters of TC4

参数	数值	参数	数值
A/MPa	875	m	0.71
B/MPa	793	T_melt/℃	1 560
C	0.01	T/℃	20
n	0.386

表2 TC4的剪切失效参数

Table 2 TC4 shear failure parameters

参数	数值	参数	数值
d₁	－0.090	d₄	0.014
d₂	0.250	d₅	3.870
d₃	－0.500

图4 刀具的微织构形貌对切削力的影响

Fig.4 Effect of micro-texture morphology of tool on cutting force

图5 平稳切削状态下不同微织构形貌刀具的平均总切削力

Fig.5 The average total cutting force of the tool with different micro-texture morphology under smooth cutting condition

图6 不同微织构形貌刀具切削钛合金的平均摩擦系数

Fig.6 Average friction coefficient of cutting titanium alloy with different micro-texture morphologies

图7 不同微织构形貌刀具前刀面的温度分布云图

Fig.7 Temperature distribution cloud image of the front tool surface with different micro-texture morphologies

图8 不同微织构形貌刀具前刀面的平均切削温度随切削时间的变化曲线

Fig.8 The change curve of the average cutting temperature of the front tool surface with different micro-texture morphology and cutting time

图9 微织构刀具形貌对已加工表面残余应力的影响

Fig.9 Effect of micro-texture tool morphology on residual stress of machined surface

图10 切削速度对垂直槽微织构刀具切削力的影响曲线

Fig.10 The influence curve of cutting speed on the cutting force of vertical groove micro-texture tool

图11 不同切削速度下垂直槽微织构刀具切削钛合金的平均摩擦系数

Fig.11 The average friction coefficient of cutting titanium alloy with vertical slot micro-texture tool at different cutting speeds

图12 不同切削速度下垂直槽刀具前刀面平均切削温度随切削距离的变化曲线

Fig.12 The change curve of the average cutting temperature of the front tool surface of vertical groove with the cutting distance at different cutting speeds

图13 不同切削速度下垂直槽刀具切削的钛合金工件已加工表面残余应力的变化曲线

Fig.13 Residual stress curve of titanium alloy workpiece cut by vertical slot tool at different cutting speeds

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