前言

高溫合金GH4169因其具有強度高，耐高溫等性能，被廣泛的應用于航空航天工業中渦輪盤和葉片等部件[1]。但其切削加工難度大，主要表現在切削力大，導熱性差，刀具磨損嚴重[2]。為了解決其切削加工性，國內外學者針對GH4169開展了多項研究。王哲等（2020）研究了切削三要素對GH4169切削過程中切削力和切削溫度的影響規律，并采用遺傳優化算法對切削參數優化分析[3]。范孝良等（2016）建立了GH4169二維正交切削有限元模擬，采用有限元仿真和試驗對比的手段對鋸齒形切屑形態進行了研究[4]。韓俊峰等（2020）針對GH4149磨削過程進行了試驗研究，發現磨削速度對殘余應力影響較大，而磨削進給量和磨削背吃刀量對工件的殘余應力影響較小[5]。郭勝華等（2018）研究了GH4149表面噴丸強化，隨著噴丸時間的延長，工件表層顯微強度和表面粗糙度不斷提高，噴丸直徑越大，表面粗糙度越低[6-7]。本文針對GH4169高溫合金材料研究了高速切削過程中，刀具前角到切削力、切削溫度和刀具磨損率的影響規律。

1、試驗設計

本試驗采用的切削仿真模型包括刀具和工件兩部分。工件的長度為5 mm，寬度為3 mm；刀具長0.5 mm，高度為0.5 mm，尖圓弧半徑為0.016 mm。工件采用的是“前進四邊形”網格單元技術，該網格生成器首先沿給定輪廓邊界的邊界創建元素，網格創建將繼續向內進行，直到整個區域都被網格化為止[8]。使用的元素數量約為8 000，最小元素大小設置為0.001 mm。在工具尖端周圍使用了更細的網格，材料在此處分離，刀具約10 000個單元，且最小元素大小為0.001 mm，如圖1所示。為研究刀具前角對高溫合金GH4169切削過程影響的分析[9]，本次試驗進行了單因素變量對比試驗，具體試驗方案參數如表1所示。

1.1 材料參數

切削過程是在高應變和高應變速率下進行，應變大小、應變速率和溫度對材料流動應力有很大的影響。

工件材料的熱塑性變形行為可用Johnson-Cook本構模型描述，本構定律如式（1）：

表2列出了Johnson-Cook的本構參數[10]；表3列出了刀具和工件材料的物理和熱機械性能[11]。

1.2 摩擦模型

摩擦模型主要應用在刀具和工件相互作用的過程中，它影響著切削熱的生產和切屑形態的變化。在實際切削過程中，刀具前刀面與切屑接觸密切，容易形成高溫高壓區域 [12-13]，刀具前面和工件的相互作用可以分為粘接摩擦區和滑動摩擦區，結果如圖2所示。

如圖2所示，在刀尖附近，前刀面與切屑接觸正應力很大，大于材料的臨界剪切應力，摩擦應力為常量，此區域為粘結摩擦區域；與粘接摩擦區域相鄰的區域為滑動摩擦區域，刀屑接觸正應力較小，摩擦力與正應力呈正比例，摩擦系數不停改變，如式（2）：

觸面上的正應力； τmax 為材料的臨界剪切應力；μ為摩擦系數，取0.6。

1.3 斷裂準則

斷裂準則為了說明材料中的斷裂，斷裂準則基于斷裂應變能量或累積的塑性應變，并且當元素中達到斷裂準則時，可通過從模型中刪除該元素來停用該元素。本文以Cockroft & Latham材料破壞準則[14]作為仿真

材料斷裂準則，如式（3）：

式（3）中，σ*為最大主應力；εe為等效應變；W為材料的破壞值。

2、試驗結果與分析

2.1 刀具前角對切削溫度的影響

在高速切削過程中，刀具角度對切削溫度的影響如圖3、圖4所示。

由圖4可知，當刀具前角為-4°，切削溫度最高達到850℃，切削溫度隨著刀具前角的增大而減小；當刀具前角為4°，切削溫度降低到762℃。這是因為刀具的前角增大，金屬變形的剪切角增大，金屬塑性變形減小，所產生的塑性變形能量減小，切削溫度降低。

2.2 刀具前角對切削力的影響

在高速切削過程中，刀具角度對切削力的影響如圖5所示。由圖5可知，最高切削力值在前角為-4°觀察到，其大小為380 N。而在前角為4°時，切削力降為最低值275 N。

可以得出，切削力均隨著前角的增加而減小。這是由于在金屬切削過程中，前角的增加通常會導致刀具—切屑界面的長度變短，較短的刀具—切屑界面意味著較小的變形，沿著前刀面的摩擦力也減小，切削力隨之降低。

2.3 刀具前角對刀具磨損率的影響

刀具模型主要集中在前刀面和后刀面，并且后刀面的磨損率大于前刀面的磨損率，如圖6所示。由于前刀面和切屑在相互接觸區域產生較大的溫度和摩擦力，加速了前刀面的磨損。在后刀面區域，刀具的磨損區域主要接近于刀尖位置處，這主要是由于后刀面與已加工表面相互作用引起的磨損。

刀具前角和刀具磨損率的相互作用規律如圖7所示，從圖7可以得出，隨著刀具前角的增加，刀具的磨損率不斷降低。這主要是由于刀具前角增大，切削過程中切屑的剪切角減小，刀具同切屑界面的長度變短，切削力和切削溫度降低，刀具磨損減小，刀具耐用度提高。

3、結語

本文采用有限元切削仿真方法，研究了刀具前角對切削力、切削溫度和刀具磨損率的影響。結果表明，刀具前角在-4°至4°內，隨著刀具前角的增大，刀具和工件產生的切屑接觸長度變短。此二者之間的摩擦力減小，切削力減小和切削溫度降低。隨著刀具切屑的接觸長度變短，刀具磨損率不斷降低，刀具耐用度提高，同時后刀面的磨損率大于前刀面的磨損率。

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