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难加工钛合金材料亚表面裂纹去除机理的仿真分析

摘要：众所周知，钛合金是一种较难加工的金属材料。切削的主要难点是表面裂纹的控制。在钛合金零件上常常能看到其分布着较多裂纹，这与钛合金较差的工艺性能密切相关。在某些情况下，由于裂纹扩展从而导致机器或设备发生故障，甚至造成安全事故。因此，为了提高产品的使用寿命和安全性能，对钛合金进行裂纹控制分析是加工中的一个重要环节。

材料模型的选择、参数尺寸、网格划分、接触设置等都会影响切割仿真的结果。仿真输出的切削结果与实际结果不一致一般情况下是由于仿真中不计切削振动等要素。然而随着技术的发展，现如今，切削仿真的精度大大提高。有限元法的优点显而易见，该方法通过大大减少计算量和分析时长，降低实验次数的途径，为使用者节省了生产成本和时间。关于切削过程中的一些改良，如刀具角度的优化，刀具材料的抉择都有很好的理论意义。本文基于Abaqus软件对钛合金零件在切削过程中进行有限元分析，探讨了进给速度、切深、磨粒刃角等参数对钛合金裂纹的影响。

关键词：钛合金；裂纹处理；运动仿真；有限元分析

绪论

钛合金材料裂纹的产生与扩展

在探究TC2钛合金轧制管外表面裂纹产生的原因时，了解到轧制温度对TC2钛合金轧制管[1][2]的加工性能有很大的影响，并进行了热轧和冷轧试验。之后，对比数据表明，在冷轧过程中，轧制后的钢管开裂的可能性更大。在550℃-650℃热轧时，轧制后的钢管出现裂纹的概率小于冷轧，外观质量更好。在650-750℃热轧时，材料表面并无较为显著的裂纹产生，而经过测定发现管材内部出现了较为明显的粘结。TC2钛合金具有加工塑性差、变形抗力大的特点。由于TC2钛合金材料在高加工率的情况下采用低温冷轧的方法进行加工时会使得管材内部出现应力集中的现象，有可能会导致工件出现裂纹，所以使用冷轧坯料会增加钢管开裂的可能性。选用热轧的加工方法则能够使得内应力得到有效地扩散，从而减轻工件负担，进一步提高管坯质量，减少裂纹的产生。温度的影响也反映在TA12A钛合金[5]的锻造裂纹实验中，出现了工件周边温度骤降从而导致裂纹产生的情况。温度下降后，胚料表面的α硬化层会变得更脆，且塑性较差，α硬化层下的金属变形会对其产生应力因此产生裂纹。此外，在管坯内表面进行内铰工艺处理可有效减少裂纹产生概率，内表面相较于未进行内铰工艺处理的管坯更光滑。在对某批有缺陷的壳体组件的实验分析中[4]得知不够成熟的铸造工艺也是裂纹差生的原因之一。壳体组件上起源于表面的进口端裂纹，走向与表面应力垂直，断口平直，未见塑性变形，且无其他腐蚀产物以及耳状凸起，为典型准解理断裂特征。通过比对各温度下钛合金的氧化色得知裂纹附近区域存在600℃以上高温氧化过程。同时裂纹沿熔合线进行扩展，附近区域可见明显的补焊痕迹。由此可知，钛合金进口段表面裂纹是由于补焊过程中气体保护效果差，高温吸氧形成富氧层，与基体相比，呈现高硬度、低塑性特征，在去应力退火应力释放过程中产生开裂。在对TC4钛合金管材[6]表面裂缝的原因研究中,发现辊偏转角度更大影响热连续滚动的裂缝TC4钛合金棒材和轧辊的转动将导致金属棒材和轧辊的接触区域流动不均匀，材料内部各点约束力不一致，导致内应力的产生，所以表面裂纹易出现于接触区域。在对TC4-DT和

TC21钛合金[9]的探究中，发现与其他锻造工艺相比，准β锻造方法能够降低裂纹的扩展速度并起到一定的抑制作用。在对故障TC2钛合金弹性片的裂纹断口A、B区的分析中[7]，发现放射棱线和疲劳弧线的形貌，得知此为疲劳裂纹，而其余各部分参数无异常，由此得出弹性片开裂是由于电阻点焊时焊缝边缘两层薄板未熔合，从而导致焊缝部位强度下降，产生了较大的应力集中，产生了裂纹，此为原因之一，而弹性片裂纹产生的主要原因则是结构和强度层面存在不足。不同裂纹的扩展行为不同[14]，通过对比A、B状态下不同应力比R、ΔK下小裂纹和长裂纹的疲劳试验和裂纹扩展实验数据得知，由于裂纹之间没有障碍物，小裂纹的增长速率较高，R值对小裂纹的增长速率影响不大。小裂纹效应是由于裂纹闭合不足造成的。由于裂纹表面存在残余塑性变形，外部疲劳载荷部分被抵消，影响了长裂纹的增长速度。R值越低，闭合效应越明显，特别是当应力比为负时，闭合效应在降低裂纹扩展速率有着显著的作用。

TC4钛合金材料的应用与性能

钛合金即为钛与其他各类元素共同构成的一种现代化金属材料，以强度高、密度小，韧性好的特点而被应用于生产制造中。但是由于钛合金相对较差的工艺性能，使得工人在其生产加工过程遇到许多难题。钛合金凭借其良好的比重、强度和使用温度，不可替代的高抗腐蚀性能，在航空航天业等特种工业中有着不可或缺的地位。钛合金锻件易产生各种缺陷,如偏析型缺陷、夹杂物、孔洞、裂纹、过热。因此，在工件受力变形过程中，由于较大的表面摩