張繼林，易湘斌，徐創(chuàng)文，羅文翠，竇建明

（蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

0 引言

隨著制造業(yè)快速發(fā)展，制造業(yè)將面臨加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等問題的挑戰(zhàn)。高速切削加工技術(shù)具切削速度高、切削熱少、切除率大、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，正好解決制造業(yè)的困境。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致有限元仿真技術(shù)在高速切削加工中日益顯著。利用切削仿真技術(shù)，可以得到切削范圍的溫度和殘余應(yīng)力物理量，能夠?yàn)閷?shí)際加工提供參考和指導(dǎo)作用。高強(qiáng)度鋁合金具備密度低、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，普遍用于航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域[1]。影響零件的性能和壽命的因素有切削溫度和殘余應(yīng)力，因此研究切削溫度和殘余應(yīng)力對(duì)切削參數(shù)的優(yōu)化和加工質(zhì)量的提高有重要意義。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)鋁合金切削加工中的切削溫度和殘余應(yīng)力進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究[2-4]。唐紹華[2]考慮了高速銑削熱的機(jī)理，建立溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。王神洲[3]等人研究了切削速度、背吃刀量、刀尖圓角半徑對(duì)殘余盈利的影響。畢運(yùn)波[4]等人研究了航空鋁合金7050-T7451高速切削過程中的溫度場(chǎng)分布規(guī)律。以上研究只是對(duì)切削溫度或殘余應(yīng)力單方面進(jìn)行，加工質(zhì)量的影響因素眾多，相對(duì)片面，本文共同研究切削溫度和殘余應(yīng)力與切削用量的關(guān)系。

本文使用有限元軟件AdvantEdge-2D對(duì)硬質(zhì)合金刀具車削鋁合金2024-T4的切削仿真，研究了切削參數(shù)對(duì)切削溫度和已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為切削溫度和殘余應(yīng)力深入研究提供理論參考。

1 切削加工有限元建模仿真

建立車削加工模型，使用有限元仿真軟件AdvantEdge，進(jìn)入其界面對(duì)工件、刀具、切削參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置建模，如圖1所示。

圖1 切削仿真模型

1.1 模擬參數(shù)

切削仿真過程的參數(shù)具體設(shè)置為：工件材料是3 mm×2 mm的鋁合金2024-T4，刀具材料為硬質(zhì)合金（YG），幾何角度為：前角 γ0＝ 0°，后角 α0＝ 6°，刃傾角λs＝0，刀尖圓弧半徑為0.4 mm，切削刃鈍圓半徑r＝0.04 mm，初始溫度為20℃.車削參數(shù)范圍：切削速度uc＝800～1 400 m/min、進(jìn)給量f＝0.05～0.2 mm/r和背吃刀量ap＝0.5～2.0 mm.

1.2 仿真過程分析

根據(jù)上述仿真模型，在uc＝800 m/min、f＝0.18 mm/r和ap＝0.8 mm條件下，某一時(shí)間時(shí)工件、刀具和切屑的溫度、殘余應(yīng)力分布分別如圖2和3所示。分析過程中，取刀具最高切削溫度和工件表面殘余應(yīng)力最大值。

圖2 某一時(shí)間切削溫度

圖3 某一時(shí)間殘余應(yīng)力

1.2.1 切削速度對(duì)切削溫度和殘余應(yīng)力的影響

在進(jìn)給量f=0.18 mm/r和背吃刀量ap=0.8 mm條件下，切削速度uc分別取800 m/min、950 m/min、1 100 m/min、1 250 m/min、1 400 m/min 進(jìn)行試驗(yàn)仿真，對(duì)仿真數(shù)據(jù)中切削溫度最大值、殘余應(yīng)力的最大拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力的最大壓應(yīng)力處理，得到如圖4和5所示。

圖4 切削速度與切削溫度最大值的關(guān)系

圖5 切削速度與殘余應(yīng)力最大值的關(guān)系

從圖4中得知，隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸升高，主要是切削速度提高，金屬切除率增加，克服金屬的摩擦功增加，切削溫度增加，具體表現(xiàn)在速度從800 m/min增到1 400m/min，相應(yīng)的切削溫度從366.694℃增加到385.804℃.從圖5中得知，隨著切削速度的提高，xx面的殘余拉應(yīng)力先降低后增加，殘余壓應(yīng)力先增加后降低，轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別在950 m/min和1250 m/min，yy面的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力都先增加后降低，轉(zhuǎn)折點(diǎn)同時(shí)在1 250 m/min.

1.2.2 進(jìn)給量對(duì)切削溫度和殘余應(yīng)力的影響

在切削速度uc=1 100 m/min和背吃刀量ap=0.8 mm條件下，進(jìn)給量f分別取0.09 mm/r、0.12 mm/r、0.15 mm/r、0.18 mm/r進(jìn)行試驗(yàn)仿真，對(duì)仿真數(shù)據(jù)中切削溫度最大值、殘余應(yīng)力的最大拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力的最大壓應(yīng)力處理，得到如圖6和7所示。

圖6 進(jìn)給量與切削溫度最大值的關(guān)系

圖7 進(jìn)給量與殘余應(yīng)力最大值的關(guān)系

從圖6中得知，隨著進(jìn)給量的增加，切削溫度直線上升，主要是進(jìn)給量增加，金屬切除率也增加，切削溫度增加，具體表現(xiàn)在進(jìn)給量從0.09 mm/r增到0.18 mm/r，相應(yīng)的切削溫度從355.183℃增加到375.790℃.從圖7中得知，隨著進(jìn)給量的提高，xx面的殘余拉應(yīng)力先增加后降低再增加，處于波動(dòng)狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力逐漸降低，yy面的殘余拉應(yīng)力逐漸升高，殘余壓應(yīng)力都先降低后增加，轉(zhuǎn)折點(diǎn)0.12mm/r，變化不大。

1.2.3 背吃刀量對(duì)切削溫度和殘余應(yīng)力的影響

在切削速度uc=1 100 m/min和進(jìn)給量f=0.18 mm/r條件下，切削速度ap分別取0.5 mm、1.0 mm、1.5mm、2.0mm進(jìn)行試驗(yàn)仿真，對(duì)仿真數(shù)據(jù)中切削溫度最大值、殘余應(yīng)力的最大拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力的最大壓應(yīng)力處理，得到如圖8和9所示。

圖8 背吃刀量與切削溫度最大值的關(guān)系

圖9 背吃刀量與殘余應(yīng)力最大值的關(guān)系

從圖8中得知，隨著背吃刀量的增加，切削溫度基本保持不變，主要是背吃刀量增加，切削溫度增加，但是散熱面積增加，因此切削溫度不變。從圖9中得知，隨著背吃刀量的提高，xx面和yy面的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力保持不變。

2 結(jié)論

依據(jù)高速切削鋁合金2024-T4切削溫度和殘余應(yīng)力的仿真研究數(shù)據(jù)，可以得知：隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，切削溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力具有一定的規(guī)律；隨著背吃刀量的增加，切削溫度、殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力基本穩(wěn)定。