Inconel 718热加工力及工艺参数影响的有限元分析

工程科学与技术，国际期刊20（2017）687完整文章刀尖圆弧半径对Inconel 718热加工力及工艺参数影响的有限元分析Asit Kumar Parida，Kaduada Maity印度国立技术学院Rourkela，机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年7月5日收到2016年9月30日修订2016年10月16日接受2016年11月7日保留字：热加工有限元力鼻部半径Inconel 718A B S T R A C T采用有限元模拟方法，研究了Inconel 718热车削过程中刀尖圆弧半径对切削力、切削温度和应力的影响。取三个鼻半径值（0.4、0.8和1.2 mm）。利用商业DEFORMTM软件对不同刀尖圆弧半径下的切削力、推力、应力和切削温度进行了预测。在室内和高温条件下，随着刀尖圆弧半径的增大，切削力和推力均增大。研究了切削温度、切屑厚度和切屑刀具为了验证数值计算结果的实验分析已经进行，它们之间已经观察到良好的一致性©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍镍、钛和铜基合金等硬质材料的机械加工由于具有高压痕硬度、高耐磨性等优异性能，目前已广泛应用于航空航天、海洋、生物医学设备等领域[1]的文件。但由于刀具的快速磨损，金属切削加工中这些材料的去除虽然有许多技术可用于加工硬材料，如非传统加工工艺，硬车削，磨削等，但是图1所示的方法有一些优点和缺点。热加工是在不牺牲质量和成本的前提下克服上述工艺的一种方法。硬质材料的热加工由不同的研究人员使用不同的加热方法进行每种加热方法都有一些缺点和不足，如表1[2]所示。不同的研究人员研究了使用不同方法加热材料，感应法[3-5]、等离子加热[6-10]、火焰加热[11-14]等。从文献综述中发现，材料的加热影响可表面完整性、切削力和刀具表面温度受刀具切削几何形状的影响。刀具寿命、表面完整性主要受刀尖几何形状的影响。*通讯作者。电子邮件地址：Email-asitzone4u@gmail.com（A.K.Parida）。由Karabuk大学负责进行同行审查。由不同的研究人员。Woon等人[15]使用有限元模拟研究了刀尖半径对AISI 4340钢微加工中切屑形成、剪切应力分布、静水应力分布和有效前角他们取了四个切削刀具刀尖半径值（0，1，5和8）。未切削厚度和刀尖半径的比率影响切屑形成过程[15，16]Arif等人[17]分析了刀具刀尖半径对MRR（材料去除率）、次表面损伤和比切削能量的变化。他们发现未成形切屑厚度和推力的增加会改变铣削中的MRR。Berbern等人[18]研究了热强化加工中的刀具磨损机理。他们使用炉加热方法加热Ti-6Al-4V工作材料，并将30 °C、150 °C、250 °C和350 °C作为材料去除温度。加热温度为350 ℃时，切削力下降，但刀具磨损增加。为了验证这一结果，Xi等人进行了有限元模拟。[19]使用ABAQUS软件。Yang等人使用有限元方法研究了WC微型刀具在Al 2024-T6微端铣过程中的切削温度生成[20]。Saedon等人研究了微观加工和宏观加工的有限元分析，刀尖半径对加工中切屑厚度的影响[21]。Liu等人分析了使用不同切割头的硅晶片的Duc- tile切割。发现未切屑厚度的临界值随切削刃尖的变化而变化，未切屑厚度与切削刃尖之间呈线性关系[22]。本文对不同刀尖圆弧半径的微细车削加工进行了数值模拟。切割http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.10.0062215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch688A.K. Parida，K.Maity/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）687Fig. 1.用于加工硬质材料的不同加工工艺。表1使用的热源/加热方法加工条件在常规和热车削操作中进行。分析过程变量的影响热源优势劣势如刀具的温度分布、应力、应变等。激光局部热集中精细形状加工投资成本高无法适用于所有材料2. 实验工作感应线圈易于使用热量可以通过热渗透率低工具移动性不可能所有试验均在中心车床上进行，包括室温和预热加工条件。工件燃气火焰设计简单，热量穿透低钛合金与工具材料发生反应等离子体局部热集中无法准确Inconel 718（直径50 mm，长度300 mm），圆棒和硬度为43 HRC，如从供应商处收到的表2和表3示出了工件材料组成，Inconel 718的热机械性能它被发现在文学-电力简单设备低成本投资无法准确加热温度审查认为，当加热温度在600 °C左右时，Inconel的剪切强度开始下降[28]。因此，本研究以600 °C的温度进行模拟和实验研究。热态实验原理图切削力和比切削力受晶粒尺寸的影响很大。研究发现，在晶粒尺寸变化较小的情况下，可获得较高的切削力和比切削能[22]。Rech等人使用PM-HSS铣削刀片研究了切削刀具的磨损及其如何受切削刀具刀尖半径的影响。数值模拟也进行了验证实验结果。Karpat和Ozel[23]分析了曲线刀尖刀具金属切削操作中的切屑形成及其机理。采用PCBN刀具加工AISI 4340钢时，采用倒角刀尖和不同刀尖设计。他们发现切削刃的大小对机械加工有很大的影响。许多研究人员还报告了使用不同的鼻部半径值的残余应力[24但在热加工过程中，刀尖圆弧半径的准备工作很少.在所有的加热方法中，气体火焰加热相对于其他加热方法来说是简单和便宜的，所以本文的工作是基于刀尖半径对热加工的影响的有限元分析。研究的目的是分析刀尖温度分布对刀具和工艺变量的影响。不同材料鼻准备的研究加工过程如图所示。 二、借助热电偶（K型）测量工件表面温度（200 -1200°C）。流动表2Inconel 718的化学成分[29]。Ni Fe Cr Cb Mo Ti Al C S 53.46 18.31 18.29 4.97 3.01 1.02 0.52 0.0150.0004表3Inconel 718和WC的热机械性能[30]。Inconel 718 WC密度（kg/m3）8080（kg/m3）15，000导热系数（W/m/°C）10.5（W/m/°K）46比热容（J/kg/）515（J/kg°K）203熔融温度（°C）1336 2870热膨胀系数（mm.mm-1°/C）13 4.7 × 10-6A.K. Parida，K.Maity/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）687689火炬LPG（OXYGEN钳主轴燃气火焰火炬测功机热电偶Inconel 718（一）工件厚度3. 机械加工有限元建模有限元模拟软件包DEFORM 2D V10.0（SFTC 2009）用于热辅助加工过程[31]。DEFORM软件是一种更新的拉格朗日公式，具有网格重划分技术，在加工过程中具有优势。重新网格化避免了长切屑的收敛和接触问题，如图所示。3.第三章。工件被建模为具有网格30，000个四面体单元的塑料，并且工具被建模为具有14，000个四面体单元的刚性图二、实验（a）热加工设置的示意图图三.加工仿真中的网格重划。氧气和液化石油气（LPG）从气缸保持控制，使没有中断加热工件表面[13]。为了执行正交切削操作，工件被钻孔，然后用镗刀钻孔。用不同的参数进行实验，并在表3中列出。 这些力是由测力计芯片温度的测量是在元素在主变形区采用高密度网格，单元尺寸为0.01 mm，工件尺寸为长3 mm，高0.7 mm。热边界条件和速度边界条件被分配给刀具和工件，如图4所示。工件的左侧和底侧以及工具的顶侧和右侧保持在室温下，因为这些表面远离切削区域，而工件的顶侧和右侧工件的底部部分被限制为y方向移动，而切削工具在x和y方向上都是固定的。为了模拟热加工的效果，DEFORM软件中提供了一个热交换窗口，用于定义局部区域的热交换并沿工件移动。环境温度设定为30 °C，除了一个点（称为喷嘴半径）保持在600 °C的加热温度。通过窗户的总热输入Q可以定义为：当量（一）. 作为Q¼hAT形窗-T形工件100°其中A是热交换窗口的表面积，h是对流系数，T窗口和T工件分别是窗口和工件的温度。在上述窗口内，工具和工件都可能与环境交换热量。3.1. 工料造型Inconel 718的材料模型从DEFORM库导入[27]。工件和碳化钨的热机械性能如表4所示。Johnson-cook模型的本构（二）、其他研究人员在热辅助加工中应用Johnson材料建模进行模拟[32，33]。红外高温计，而，芯片厚度和芯片工具连接，n..e_！！.. T-Trm光学显微镜下测量其触觉长度。rABe1clne_01 -Tm-Trð2ÞVX = V m/sec，VY =0，T=30 °C芯片VX = VY = 0，T=30 °C采用热交换窗模拟热加工工具热传递至未变形切屑r环境Y工件0.7mm3mmX见图4。 工件和刀具的位移和热边界条件，r为刀尖半径。690A.K. Parida，K.Maity/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）687表4实验条件采用室温和高温。机床中心车床，6.5 hp400350300工作样品切削工具Inconel 718TNMG250硬度43HRC尺寸50 x 300 mm刀片无涂层硬质合金切割速度40，100 m/min进给速度0.13 mm/rev切割深度0.8 mm鼻半径0.4、0.8和1.2 mmA、B和C是室温下的约翰逊-库克材料常数，20015010050000.00020.00040.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014加工时间[秒]自然。m和n是常数，称为热软化和硬化系数[30]。<$e、<$e_、<$e_0表示塑性应变、塑性应变率和参考应变率。T是温度，Tm和Tr分别是工件熔化和室温3.2. 摩擦模型对于切屑-刀具摩擦，使用简单的剪切摩擦模型，并在方程中定义。（三）S1/S2芯片剪切摩擦系数（m = 1）的值取[34]，工具-切屑界面附近切屑材料屈服强度3.3. 断裂模型在这项研究中实现的断裂准则，导致芯片分离镍基合金在低切削速度下产生分段类型的切屑。Cockcroft和Latham在DEFORM软件中实现，如方程所示。（四）图五.不同刀尖圆弧半径的切削力仿真与实验结果的比较。5004504003503002502001501000.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014加工时间[秒]见图6。不同头部半径下的室温下实验推力与模拟推力的比较。ZefrdeD401¼头部半径的增加使剪切角减小，切屑厚度是造成大剪切面的主要原因，其中e为有效应变，r1为最大主应力，D为材料常数[34]。4. 结果和讨论讨论了刀尖圆弧半径对切削力、温度、应力的影响4.1. 刀尖圆弧半径变化对切削力和推力的影响在室内和加热模拟中，切割力和推力在2mm后达到稳定状态。在加热温度为600 °C时，刀尖半径为0.4、0.8和1.2 mm时，切削力和推力分别比室温条件下降低12.6、12%和34.14、23%。这是由于外部加热导致材料的热软化。图5和图6分别显示了在室温下不同刀尖半径的模拟和实验切削力和推力之间的比较。而在加热温度（600 °C）下，在室温和加热温度下，切削力和推力均随刀尖半径的增大而增大（图7）。造成这种现象的原因是多方面的，一是随着刀尖半径的增大，刀具钝度的增大幅度更大，导致塑性变形时的受力更大;另一个原因是刀尖圆弧半径越大，刀尖接触面积越大，比切削能越大，切削力在所有的测试中，推力显示出比切削力更大的值。研究人员也发现了类似的现象[35]。玛丽变形带[20]。切削速度从40 m/min增加到100 m/min，在室温和加热温度条件下，切削力和推力都有所下降。在刀尖半径为0.8mm时，切削力和推力略微过高，而在刀尖半径为0.4和1.2 mm时，模拟结果与实验值吻合模拟和实验结果之间的误差%可能是由于网格尺寸、摩擦模型和材料建模[17]。4.2. 加热温度对加工区温度、切屑形成和应力加热温度对加工区温度、切屑形成和应力的影响如图8所示。在600 °C加热条件下的加工区温度与鼻部半径处的室温条件相比增加了1050 °C，0.4mm，切割速度为40 m/min。 施加到工件表面的外部热量的应用通过降低剪切切削能量来增加加工/剪切/切削区域的温度，并且由于塑性变形而减少次级区域中的切屑和刀具之间的摩擦，这有助于减少加工期间的切削力和应力。在室温下，由于力的波动，芯片产品是分段型的，而在600 °C的加热温度下，由于没有力的波动，形成的芯片是连续型的（图1）。 7）。在热辅助加工中观察到类似的观察结果[36，37]但增加机头半径，可能会有断裂中文（简体）实验（0.4）中文（简体）实验（0.8）中文（简体）实验（1.2）切割力[N]（0.4）Exp（0.4）实验（0.8）实验（1.2）实验（1.2）推力[N]A.K. Parida，K.Maity/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）68769130°C（摄0.19 mm切屑厚度切屑-刀具接触长度0.26mm的3503002502001501005000.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014加工时间[秒]（一）5004504003503002502001501000 0.00020.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014加工时间[秒]（b）第（1）款图7.第一次会议。T = 600°C时数值切削力（a）和推力（b）与实验切削力（a）的比较工艺区温度600°C见图8。圆角半径为0.4mm时，在室温和加热条件下的有效应力分布.使刀尖温度升高，从而降低了切削力的增加。还注意到，如图8所示，在稳态切削条件下，在与室温条件相同的加热条件下，切屑的温度升高。为了验证芯片温度，在加工过程中使用了红外高温计，并观察到与模拟温度的正相干性，如图9所示。切屑温度随刀尖圆弧半径的增大从室温到加热温度600 °C时，有效应力降低1660 ~ 1520 MPa0.4mm，切割速度为40 m/min。鼻子的增大半径增加流动应力，因为在更大的刀尖半径处形成侧面磨损。在加热条件下应力的减少证实了在加热温度下切削力的减少是由于工件表面上的加热。在加热条件下，由于剪切区温度升高而导致的流动应力降低。在硬质材料的激光加热加工中观察到类似的观察结果[38]。4.3. 刀尖半径对切屑厚度和切屑-刀具接触长度随加热温度结果表明，加热温度的升高减小了切屑厚度，增加了切屑-刀具接触长度中文（简体）实验（0.4）中文（简体）实验（0.8）中文（简体）实验（1.2）中文（简实验中文（简实验（1.2）Exp（1.2）切割力[N]推力[N]692A.K. Parida，K.Maity/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）687芯片红外高温计工具保持器插入工件（一）切屑刀具接触长度30°C（摄氏度）600°C0.29mm(a)（740720700680660640620600580560306000.350.30.250.20.150.10.0500.4 0.8 1.2前端半径（mm）工件温度（摄氏度）见图9。温度测量示意图（a）切削速度为10000rpm时的数值温度与实验温度的比较40 m/min，鼻部半径为0.4 mm。30ºC至30ºC失效600ºC至600ºC失效见图11。切屑刀具接触长度的光学视图（a）30 °C（b）600 °C，刀尖半径0.4 mm（c）在工件温度和不同刀尖半径条件下的数值和实验切屑-刀具接触长度之 间 的比较。0.70.60.50.40.30.20.100.4 0.8 1.2前端半径（mm）30ºC至30ºC失效600ºC至600ºC失效5. 结论本文采用实验和有限元模拟相结合的方法，对Inconel 718合金的常温和高温切削进行了分析。分析了常温和高温下的切削力、推力、温度、切屑形状和尺寸.仿真结果与实验值进行了部分验证。有限元分析是预测应力、应变和温度的最佳工具，而这些在实验上是无法测量的，而且耗时。这些参数的信息提供了一个清晰的理解加工过程的物理。在工件表面附近施加热量可以显著降低切削力和推力。工艺区温度的升高降低了见图10。在室温和加热条件下的数值和实验切屑厚度之间的比较与室温相比。切屑-刀具接触长度和切屑厚度从模拟图像测量（图8）。刀尖半径的增加，切屑厚度和切屑-刀具接触长度与室温加工条件相比有所增加。同样，实验切屑厚度和切屑-刀具接触长度测量的帮助下，光学显微镜。实验和数值切屑厚度之间的比较如图10所示，在30°C和600°C温度下观察到的最大误差为3%和10%切屑-刀具接触长度的增加具有许多优点。它将热点从切削刀尖上移开，并降低作用在刀具上的应力。切屑刀具接触长度的光学图像以及实验和模拟切屑刀具接触长度之间的比较如图11所示。在加热温度为30 °C和600 °C时，实验值与模拟值的最大误差分别为15%和11%。与室温加工工艺相比，热加工中减少了流动应力和切削力随着工件温度和刀尖半径的增加，切屑厚度尺寸减小，切屑与刀具的接触增大预测结果与实验结果有较好的相关性。引用[1] K. 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