TC4钛合金类零件端面车削残余应力仿真分析

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摘 要：通过对TC4钛合金盘端面车削过程进行了有限元仿真，得到不同切削参数下加工表面残余应力的分布规律，为实际生产提供参考。

关键词：TC4钛合金;端面车削;残余应力;有限元仿真

本文通过建立TC4钛合金盘端面车削仿真几何模型、材料本構模型、单元及网格划分、摩擦模型、切屑分离准则和网格重划分等进行有限元分析，[1-4]研究切削参数对零件残余应力分布影响。残余应力分布状态是评价工件表面残余应力的重要指标，它对工件的使用性能和寿命都有重要影响。通过定义沿工件深度方向的路径来研究残余应力在深度方向的分布情况，残余应力的提取路径如图1所示。

1 切削速度对残余应力的影响

图为当a p=1mm，f=0.15mm/r时，使用三维有限元模型在不同切削速度条件下切削过后得到残余应力在工件表面深度方向的分布情况。

由图2（a）可以看出，工件表面周向残余应力都为压应力，切削速度为120m/min时，表面压应力最大为-252.05MPa，当v=30m/min时压应力最小为-124.75MPa;随着距表面深度的增加，不同切削速度下残余压应力都是急速增大，在0.01mm到0.02mm深度左右达到峰值，当v=120m/min时峰值残余压应力最大为-476.67MPa，当v=30m/min时峰值残余压应力最小为-387.1MPa;达到残余压应力峰值后，随着残余深度的加深，在深度为0.02mm与 0.06mm之间残余压应力迅速减小，然后在缓慢减小，最后应力值趋于零并保持稳定。

图2（b）为不同切削速度条件下径向残余应力的分布曲线，从图中可以看出，表面径向残余应力值较小，当v=120m/min时为拉应力状态，大小为14.06MPa，其它切削速度条件下的表面残余应力为压应力，当v=30m/min时表面残余压应力值最小，大小为-41.69MPa，当v=60m/min时表面残余压应力最大，大小为-47.74MPa。当v=120m/min时，径向残余应力在表面为拉应力，沿深度方向拉应力向压应力转变并在深度为0.01mm处达到压应力极值-331.97MPa，然后随着深度的加深压应力的值逐渐减小在深度为0.18mm处达到稳定。

2 切削深度对残余应力的影响

图为当切v=120m/min，f=0.15mm/r时，三维端面车削有限元模型在不同切削深度条件下切削过后得到残余应力在工件表面深度方向的分布情况。

由图3（a）可以看出，不同切削深度条件下工件表面周向残余应力都为压应力，切削深度为1mm时，周向表面残余压应力最大，大小为-252MPa，当切削深度为0.25mm时表面残余压应力最小，其值为-128.09MPa。

不同切削深度条件下表面残余应力都为压应力，沿深度方向压应力急剧增大，达到极值后压应力迅速减小，不同切削深度条件下残余压应力的变化速率不同，达到一定深度后压应力趋于稳定。切削深度为0.25mm时残余应力深度最浅，切削深度为1mm时残余应力深度最深，切削深度对残余应力的深度影响较大。切削深度增加时刀具与工件的接触面积增加，导致切削力变大，工件表面产生塑性变形量增大，机械效应的影响大大增强，从而导致残余应力的影响层较深。

提高生产率，减少工件装夹次数、使工件定位准确，从而具有较高的加工精度。对各类自动刀架经过分析对比后，挑选了温岭市三和数控设备有限公司LD4B-CK6140电动刀架。

2.4 导轨改造

改造前的机床主要是各类中小型企业应用年代时间较长或是职业院校学生实训所淘汰的设备，由于缺乏保养及经常使用不当，机床导轨表面有一定的损坏，机床传动平稳性较差。如果不改造，将会影响机床的加工精度。具体实施方法是，先把机床的导轨面加工到3.2～1.6的粗糙度，再加工0.5～1mm的凹槽，有助于定位安装。用专用清洗液，对导轨面进行清洁，添加粘结剂将TSF塑料软带黏结在机床导轨上，施加压力，强固黏结1至2小时，移动配套导轨再一次进行施压，强固24小时后，进行适当清理，即可进一步精加工。

3 主传动系统的改造方案

为保证改造后的数控机床在车螺纹时主运动与进给运动的关系，在拆除机床原有进给系统的同时，需要通过电气方式建立主运动与进给运动的关系。脉冲编码器一般不便于直接安装到机床主轴上，通常是在机床的某条传动链上选择一个安装位置，间接地测量主轴运动，并据此控制进给系统运动。

3.1 主轴变频器的选择

目前市场上现有的变频器种类较多，依据本次机床的数控改造的整体要求，经对产品性能价格的综合对比，选用丹佛斯-VLT2800型变频器。此变频器是一款控制精度及安全性都较理想的经济适用型变频器，内部自带PLC编程功能，数控编程人员使用起来十分方便。

3.2 主轴脉冲发生器的选择

在改造中，保留普通C6140机床的主传动系统，将原系统的挂轮箱进行拆除，但保留其三星齿轮机构。为保证在车削加工螺纹表面时，机床主运动与进给运动的严格关系，在机床主轴部分的输出端上安装一个长春博光电技术有限公司的BC50S8光电脉冲主轴脉冲编码器，运用异动轴法进行安装，将主轴脉冲编码器安装与主轴关联的一对为1：1传动比的齿轮上。[2]主轴每回转一周，脉冲编码器发出相应的脉冲信号，机床的步进电机得到信号后准确的进行配合主轴的旋转而进行相应的螺距进给运动，实现自动车削螺纹的目的。

4 结论

通过变频器驱动主轴实现C6140主轴的无极变速，采用主轴脉冲编码器与数控系统和步进电机之间的信息转换实现螺纹的车削运动。对机床进给系统进行改造，并对步进电机和滚珠丝杠的选择进行选择与设计。更换自动刀架及对机床导轨进行贴塑处理，完成数控机床机械部分的改造。完成的C6140数控改造机床，易于生产操作，能进行复杂元件的精加工，为企业节省大笔采购费，成本低，机床性能价格比适中，目前改造后的C6140数控机床已投入生产。