高崇金，皮云云

順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院

1 引言

當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸處于亞微米級(jí)時(shí)，金屬會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能。由于超細(xì)晶材料的優(yōu)越性，在航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。大塑性變形法(SPD)可制備超細(xì)晶材料，如等徑角擠壓[2]、高壓扭轉(zhuǎn)[3]和循環(huán)擠壓[4]等傳統(tǒng)大塑性變形法。切削法[5]也是大塑性變形法，不同于傳統(tǒng)大塑性變形法，其工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，并且具有加工過(guò)程中參數(shù)可控和無(wú)需專用設(shè)備等特點(diǎn)。將傳統(tǒng)切削與擠壓相結(jié)合的大應(yīng)變擠出切削技術(shù)(LSEM)[6]除了具備切削法的優(yōu)點(diǎn)外，還可獲得形貌規(guī)整的切屑，因此近年來(lái)得到眾多專家學(xué)者的關(guān)注和研究。

大應(yīng)變擠出切削可制備出納米結(jié)構(gòu)的商業(yè)純鈦和超導(dǎo)電無(wú)氧銅，相比普通方法制備的鈦和銅有更好的耐磨性[7]。Xiaolong Bai等[8]對(duì)6013-T6鋁合金進(jìn)行了大應(yīng)變擠出切削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切屑表面的晶粒尺寸小于內(nèi)部。Daniel R. Klenosky等[9]討論了二次剪切效應(yīng)在擠出切削中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)切削速度和切屑厚度比影響二次剪切區(qū)。殷曉龍[10]進(jìn)行了大應(yīng)變擠出切削有限元模擬仿真研究，發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率和等效應(yīng)力隨著刀具前角的增大而減小，且切屑的形成受壓縮比的影響。殷曉龍等[11，12]提出了低溫大應(yīng)變擠出切削，并將獲得的切屑與室溫大應(yīng)變擠出切削制備的切屑進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低溫大應(yīng)變擠出切削的7075鋁合金切屑形貌更規(guī)整，且表面硬度高于常溫下制備的切屑。在現(xiàn)有大應(yīng)變擠出切削有限元仿真分析中，刀刃均設(shè)為鋒刃，即切削刃半徑近似為零。

在傳統(tǒng)切削中，當(dāng)?shù)毒咔邢魅袨榈估鈺r(shí)，切削合力隨倒棱負(fù)前角的增大先減小后增大，并隨倒棱寬度的增大而增大[13]。LSEM加工過(guò)程中，由于限制刀具的作用，故不同于傳統(tǒng)切削。為了研究刀具切削刃變化對(duì)LSEM的影響，選定主刀具切削刃為倒棱結(jié)構(gòu)。選擇Deform 2D軟件為有限元仿真軟件，通過(guò)建立LSEM有限元模型實(shí)現(xiàn)加工模擬仿真。主刀具為倒棱切削刃時(shí)，研究了有限元仿真過(guò)程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率等熱力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 大應(yīng)變擠出切削有限元模型

2.1 大應(yīng)變擠出切削原理

圖1為L(zhǎng)SEM原理，組合刀具包括主刀具和限制刀具兩部分。LSEM加工時(shí)，主刀具切出切屑，切屑通過(guò)主刀具和限制刀具組成的通道被擠出，從而形成形貌規(guī)整的切屑帶材。

在LSEM加工過(guò)程中，切屑內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)變可用ε表示[14，15]，為

(1)

式中，λ和α0分別為切削厚度壓縮比和刀具前角，λ=tch/td，tch和td分別為切屑厚度和切削層厚度。

由此可知，大應(yīng)變擠出切削過(guò)程中，ε的大小受切削厚度壓縮比λ和刀具前角α0的影響。

圖1 大應(yīng)變擠出切削原理

2.2 本構(gòu)模型和刀具材料

6061鋁合金因密度低及綜合性能高等特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于汽車、船舶和航空航天等領(lǐng)域[16]。但國(guó)內(nèi)大部分高端鋁合金材料仍然依靠國(guó)外進(jìn)口，因此國(guó)內(nèi)迫切需要自主創(chuàng)新，開發(fā)出高端鋁合金材料。工件材料選用6061鋁合金，研究刀具參數(shù)對(duì)大應(yīng)變擠出切削過(guò)程中切屑帶材的影響，刀具材料設(shè)為硬質(zhì)合金，6061鋁合金本構(gòu)模型選用Johnson-Cook模型，表達(dá)式為

(2)

2.3 刀屑摩擦模型

LSEM中主刀具前刀面和限制刀具后刀面分別與切屑的兩個(gè)不同面接觸并摩擦。有限元仿真過(guò)程中，為了提高仿真效率，將兩處摩擦均簡(jiǎn)化為庫(kù)倫摩擦，并將摩擦系數(shù)μ設(shè)為0.5。

2.4 建立有限元模型

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將LSEM有限元模型簡(jiǎn)化為二維正交切削模型。在建立LSEM有限元模型時(shí)，將工件材料設(shè)為塑性體，主刀具和限制刀具設(shè)為剛體。工件尺寸為50mm×10mm(長(zhǎng)×寬)，工件速度設(shè)為零，主刀具和限制刀具向左水平移動(dòng)，速度為vc。主刀具、限制刀具和工件的部分邊界有熱交換現(xiàn)象(紅色線條)。根據(jù)現(xiàn)有研究經(jīng)驗(yàn)[10]，設(shè)切削速度vc=92mm/s，切削層厚度td=0.5mm，切屑厚度壓縮比λ=1.2，主刀具前角和后角分別設(shè)為15°和5°，限制刀具前角和后角分別設(shè)為-15°和5°。圖2為L(zhǎng)SEM網(wǎng)格模型。

圖2 二維有限元網(wǎng)格模型

3 有限元仿真方案

倒棱也稱負(fù)倒棱，是沿著切削刃磨出負(fù)前角的窄棱面，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主刀具切削刃負(fù)倒棱結(jié)構(gòu)

倒棱可以增強(qiáng)切削刃，提高刀具耐用度。為磨出合理的倒棱，需合理選擇棱邊寬度和負(fù)前角大小，此負(fù)前角不同于刀具前刀面的負(fù)前角。相關(guān)資料指出[17]，棱邊寬度一般取bγ1=0.3～0.8f，負(fù)前角取γ01=-10°～-15°。改變主刀具切削刃棱邊寬度和負(fù)前角，分析其對(duì)LSEM有限元仿真過(guò)程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率和等效應(yīng)力等的影響。倒棱負(fù)前角和棱邊寬度取值分別見表1和表2。

表1 倒棱負(fù)前角

表2 倒棱的棱邊寬度

4 有限元仿真結(jié)果分析

4.1 倒棱負(fù)前角的影響

倒棱負(fù)前角取不同值時(shí)，LSEM有限元仿真過(guò)程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力和溫度的分布結(jié)果見圖4。圖5為倒棱負(fù)前角對(duì)最大等效應(yīng)變、最大等效應(yīng)變率、最大等效應(yīng)力和最高溫度的影響。

4.1.1 倒棱負(fù)前角對(duì)等效應(yīng)變的影響

圖4a為等效應(yīng)變分布，各等效應(yīng)變呈帶狀分布。主刀具前刀面和切屑接觸區(qū)域可觀察到最大等效應(yīng)變。由于限制刀具始終與切屑背面接觸，因此接觸處的等效應(yīng)變也較大。分析認(rèn)為，在主刀具和限制刀具的共同作用下，切屑內(nèi)部的塑性變形相比傳統(tǒng)切削更大，為晶粒細(xì)化提供了有利條件。

(a)等效應(yīng)變分布

圖5a為最大等效應(yīng)變曲線，最大等效應(yīng)變隨負(fù)倒棱前角(絕對(duì)值)的增大而增大。這說(shuō)明在最佳倒棱負(fù)前角取值范圍內(nèi)，增大負(fù)前角能增大切屑內(nèi)的塑性變形，更有利于細(xì)化材料晶粒。

4.1.2 倒棱負(fù)前角對(duì)等效應(yīng)變率的影響

圖4b為等效應(yīng)變率分布?？芍?，各等效應(yīng)變率呈窄帶狀分布，且主要分布在第一變形區(qū)，集中在主刀具切削刃處。圖5b為最大等效應(yīng)變率曲線圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大等效應(yīng)變率隨倒棱負(fù)前角(絕對(duì)值)的增大而增大。當(dāng)?shù)估庳?fù)前角為-15°時(shí)，最大等效應(yīng)變率為1420/s。跟傳統(tǒng)大塑性變形加工相比(應(yīng)變率一般小于1000/s)，LSEM方法更優(yōu)。

4.1.3 倒棱負(fù)前角對(duì)等效應(yīng)力和溫度的影響

圖4c和圖4d分別為等效應(yīng)力和溫度分布?？芍?，各等效應(yīng)力和溫度均呈帶狀分布。圖5c和圖5d為最大等效應(yīng)力和最高溫度曲線變化，當(dāng)?shù)估庳?fù)前角在-10°～-15°時(shí)，最大等效應(yīng)力曲線和最高溫度曲線變化很小，可以忽略不計(jì)。說(shuō)明倒棱負(fù)前角的變化對(duì)最大等效應(yīng)力和最高溫度的影響很小。

(a)

4.1.4 倒棱負(fù)前角對(duì)切削力的影響

圖6a和圖6c分別為倒棱負(fù)前角取不同值時(shí)的主切削力曲線和進(jìn)給抗力曲線。

可以看出，各主切削力曲線幾乎同時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)波動(dòng)，各進(jìn)給抗力曲線也幾乎同時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)波動(dòng)。由于倒棱負(fù)前角為-10°～-15°，相鄰兩值相差很小，故各主切削力曲線的變化也很小，幾乎重疊在一起，難以辨清。隨著倒棱負(fù)前角(絕對(duì)值)的增大，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)波動(dòng)后的平均主切削力略微增加(見圖6b)。與主切削力曲線相比，各進(jìn)給抗力曲線分離，可以較清楚地辨別出三條進(jìn)給抗力曲線。平均進(jìn)給抗力隨倒棱負(fù)前角(絕對(duì)值)的增大而增大，變化效果明顯大于平均主切削力的變化(見圖6d)。由此可知，當(dāng)負(fù)前角過(guò)大時(shí)，切削力會(huì)增大，切削難度增加，刀具磨損加劇，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選定合理的倒棱負(fù)前角。

(a)

4.2 倒棱棱邊寬度的影響

圖7為改變棱邊寬度時(shí)，等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力和溫度的分布結(jié)果。

(a)等效應(yīng)變分布

4.2.1 棱邊寬度對(duì)等效應(yīng)變的影響

根據(jù)圖7a可知，棱邊寬度不同時(shí)，LSEM有限元仿真過(guò)程中的等效應(yīng)變均呈帶狀分布，應(yīng)變主要集中于切屑和已加工表面。在主刀具與切屑接觸區(qū)域可觀察到最大等效應(yīng)變。相比傳統(tǒng)切削，由于加入了限制刀具，故在限制刀具和切屑接觸區(qū)也可觀察到相對(duì)較大的等效應(yīng)變。由圖8a可以看出，最大等效應(yīng)變值隨倒棱寬度的增大而增大，說(shuō)明倒棱結(jié)構(gòu)的主刀具切削刃使LSEM有限元仿真過(guò)程產(chǎn)生較大的等效應(yīng)變，且最小的最大等效應(yīng)變值為4.74，最大等效應(yīng)變的最大值達(dá)6.63，遠(yuǎn)大于主刀具切削刃為鋒刃時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)變。與倒棱負(fù)前角對(duì)等效應(yīng)變的影響相比，棱邊寬度的變化對(duì)LSEM有限元仿真過(guò)程的影響效果更明顯。分析認(rèn)為，由于棱邊寬度的增加，倒棱與工件材料的接觸面積也增加，增加了切削難度，提高了擠壓效果，因此等效應(yīng)變變化更大。

4.2.2 棱邊寬度對(duì)等效應(yīng)變率的影響

圖7b為等效應(yīng)變率分布，當(dāng)棱邊寬度變化時(shí)，所有等效應(yīng)變率都呈窄帶狀分布，且主要分布在第一變形區(qū)，并集中在主刀具切削刃處。當(dāng)棱邊寬度在0.15～0.25mm內(nèi)時(shí)，最大等效應(yīng)變率略微增加，但增量很少；當(dāng)棱邊寬度取0.4mm時(shí)，最大等效應(yīng)變率值發(fā)生突變(見圖8b)。觀察等效應(yīng)變率分布可以發(fā)現(xiàn)，在倒棱寬度1/2處，其等效應(yīng)變率值僅100/s左右，說(shuō)明此處材料流動(dòng)非常緩慢，隨著倒棱寬度的增加，其影響范圍逐漸擴(kuò)大。分析認(rèn)為，增加倒棱棱邊寬度不利于材料的相對(duì)流動(dòng)，阻礙了切屑順利擠出，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)棱邊寬度取值不宜太大。

(a)

4.2.3 棱邊寬度對(duì)等效應(yīng)力和溫度的影響

圖7c和圖7d分別為等效應(yīng)力和溫度分布，所有等效應(yīng)力和溫度分布均呈帶狀分布。如圖8c和圖8d所示，當(dāng)?shù)估饫膺厡挾葹?.15～0.40mm時(shí)，最大等效應(yīng)力和最高溫度變化很小，幾乎可以忽略不計(jì)。結(jié)果表明，棱邊寬度的變化對(duì)等效應(yīng)力和最高溫度影響很小，與負(fù)前角的影響相似。

4.2.4 棱邊寬度對(duì)切削力的影響

圖9a和9c為主切削力和進(jìn)給抗力的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，各主切削力和進(jìn)給抗力曲線進(jìn)入穩(wěn)態(tài)波動(dòng)的時(shí)間幾乎完全相同。隨著棱邊寬度增大，主切削力曲線幾乎堆疊在一起，難以辨別。與主切削力曲線相比，各棱邊寬度的進(jìn)給抗力曲線清晰可辨。圖9b和圖9d分別為主切削力和進(jìn)給抗力穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍內(nèi)的平均值，平均主切削力和進(jìn)給抗力都隨著棱邊寬度的增大而增大。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平均進(jìn)給抗力的增加效果更明顯。當(dāng)棱邊寬度為0.4mm時(shí)，平均主切削力為370N，與最小值相差30N，平均進(jìn)給抗力為150N，與最小值相差69N，是30N的2倍多。因此，棱邊寬度的變化對(duì)進(jìn)給抗力的影響更大。

(a)

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了LSEM有限元仿真模型，通過(guò)改變倒棱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)了有限元仿真方案，并進(jìn)行了模擬仿真，詳細(xì)研究了主刀具刀刃倒棱負(fù)前角和棱邊寬度變化對(duì)等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力、溫度和切削力的影響。

(1)當(dāng)?shù)估庳?fù)前角變化時(shí)，等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力和溫度始終呈帶狀分布。最大等效應(yīng)變值隨著倒棱負(fù)前角(絕對(duì)值)的增大而增大。最大等效應(yīng)變率也隨著倒棱負(fù)前角(絕對(duì)值)的增大而增大，并在-10°時(shí)激增至1420/s。倒棱負(fù)前角變化時(shí)，最大等效應(yīng)力和最高溫度的變化很小，幾乎可以忽略不計(jì)。主切削力和進(jìn)給抗力隨著倒棱負(fù)前角(絕對(duì)值)的增大而減小，與主切削力相比，進(jìn)給抗力的減小效果更明顯。

(2)當(dāng)?shù)估饫膺厡挾茸兓瘯r(shí)，等效應(yīng)變等熱力學(xué)參數(shù)也呈帶狀分布。最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)變率隨著棱邊寬度的增大而增大，且最大等效應(yīng)變的最小值為4.74，最大值達(dá)6.63，并且可使切屑內(nèi)塑性變形增大，促進(jìn)晶粒細(xì)化。棱邊寬度的變化對(duì)最大等效應(yīng)力和最高溫度的影響也很小，可忽略不計(jì)。隨著棱邊寬度尺寸的變大，主切削力和進(jìn)給抗力都表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但進(jìn)給抗力增速更快。