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硬质合金刀具钻削钛合金材料的温度场研究
摘要：钛合金由于有着低比强度和优异的耐腐蚀性，其在化学、医疗、汽车和航空航天工业中有多种用途，但同时钛合金也是一种非常难加工的材料，切削温度高是其加工过程中最显著的特征之一，对零件服役性能与可靠性有着至关重要的影响。为此，本研究借助Deform3D有限元仿真软件，对钛合金钻削过程进行了仿真，得到了钻削温度场的分布特征，并分析了钻削参数对切削温度的影响规律，为工程实践提供了有价值的参考依据。
钛合金是一种因其轻量化、高强度和良好的耐腐蚀性而备受青睐的材料，广泛应用于航空航天和生物医学领域［1］。然而，钛合金的高强度也使得在其表面进行钻孔变得具有挑战性，主要问题之一是加工钛合金材料过程中的刀具温度升高［2］，可能会产生切屑瘤等加工缺陷，从而导致钛合金材料的质量损失和工具寿命的缩短［3］。因此，本研究旨在分析钛合金钻孔过程中的温度场，对抑制刀具磨损、提高制孔质量有着重要意义［4］。
本研究采用Deform3D软件，以其优越的有限元分析能力，对钛合金钻削过程中的温度场进行建模与仿真［5］，以深入理解加工过程中的热力学行为，为优化钛合金钻削过程提供新的理论和方法支持［6］，推动钛合金加工领域的技术进步，同时为相关行业的工程师和研究人员提供深入认识和指导意见，促进钛合金加工技术的发展［7］。
1仿真模型的建立
1.1仿真几何模型
麻花钻模型通过第三方软件建模完成后直接导入Deform软件中，根据麻花钻的尺寸标准，采用直径为5mm的麻花钻，其网厚度为1.08mm，螺旋角为30°，顶角为118°［8］。
工件模型的建立采用软件自带的建模功能，通过输入圆柱体直径和厚度来自动生成工件模型，为减小计算成本，设置工件直径为15mm，厚度为2.5mm。
1.2nbsp;网格划分
Deform3D提供了强大的适应性网格划分工具，使用户能够根据模拟区域的特性自动调整网格的密度。这意味着在高温或高应力区域，可以实现更细致的网格划分，而在对仿真结果没有太大影响的区域，可以采用相对较粗的网格［9］。
在本研究的仿真中，刀具设置为刚体，采用相对法划分网格，网格数量设置为20000个。工件采用绝对法，为了产生较好的切削效果，设置最小单元尺寸为进给量的50%，尺寸比表示最大单元尺寸和最小单元尺寸的比值，默认为7。
1.3材料属性的设置
钻头材料为WC硬质合金，直接选用Deform3D软件的材料库中的WC材料。工件材料为钛合金（Ti6Al4V），其主要性能参数如表1所示。
钛合金的本构方程采用JohnsonCook（JC）模型，JC模型充分考虑了温度、高应力应变速率对材料本构模型的影响，其表达式如下：
σ=A+B（ε）n1+Clnε*1-（T*）m
其中，A、B、C、m、n为JC本构方程最主要的五个参数，其含义和数值如表2所示［9］。
1.4边界条件及接触的设定
在Deform软件中进行仿真时，合理的边界条件和接触设置是确保仿真准确性和可靠性的关键因素。以下是在模拟中所采用的边界条件和接触设定的详细说明：
将工件完全固定后，设置边界条件，主轴转速为400RPM，进给量为0.1mm/r，钻孔深度为2.5mm。
定义接触条件时要设置接触面的摩擦系数、热传导系数，以及刀具的磨损模型。将摩擦种类设定为剪切摩擦，摩擦系数定为0.6，热传导系数为45，另外，设置热对流系数为0.02N/sec/mm/c，环境温度为20℃，变形和温度求解器均为共轭梯度求解，采用直接迭代方法［10］。
为了研究钻削参数对钻削温度的影响规律，主轴转速设置为400RPM、600RPM和800RPM三个水平，进给量设置0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r三个水平进行仿真实验。
2仿真结果与分析
2.1钻削温度场的分布特点
如图1、图2所示为800RPM下钻头行程为1.25mm、2mm时钻孔的等温曲线图。由图可知，钻削温度在轴向剖面内成“M”形分布，钻削温度会随着钻头进程的增加而逐渐增大。温度最高的地方是主切削刃与工件的接触表面，越靠近这个区域温度越高。这是因为在刀具的切削作用下，金属在剪切区发生塑性变形，这是产生切削热的重要原因之一。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也会产生大量的切削热，导致温度升高。而横刃与工件的接触表面的温度较低，这是因为在钻孔时，横刃的作用是为了提供支撑，减轻主切削刃的负担。它通常设计成较小的切削刃，减少与工件的直接接触，从而降低切削力，减少摩擦。从图中也可以看出切屑带走了大量的切削热量；通过上述仿真结果也可看出仿真结果接近真实加工。
2.2钻削参数对钻削温度的影响规律
图3所示为进给量为0.1mm/r下主轴转速分别为400RPM、600RPM、800RPM时的温度场图；图4为600RPM下进给量分别为0.06mm/r、0.