彭寶營(yíng),許冬,王鵬家

北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

鋁合金材料憑借比強(qiáng)度高和硬度大以及斷裂韌性好等特點(diǎn),在航空、航天以及軍工領(lǐng)域使用廣泛,尤其適用于高強(qiáng)度、耐腐蝕性好的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)體以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)[1]。7075-T6鋁合金作為超高變形鋁合金的典型代表之一,其物理性能以及成形工藝性都較好。隨著鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域增加,在加工方面的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。由于鋁合金材料自身塑性較大,如何在最優(yōu)條件下進(jìn)行加工是個(gè)問(wèn)題。

在金屬切削過(guò)程中,切削參數(shù)與刀具幾何參數(shù)是影響切削力的直接因素。胡波等[2]利用AdvantEdge軟件對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行切削力仿真,主要通過(guò)正交試驗(yàn)改變切削參數(shù)以及刀具角度,從而確定這些參數(shù)對(duì)切削力的影響;劉日韋等[3]利用DEFORM軟件建立了鈦合金切削加工仿真模型,通過(guò)改變加工刀具角度,得出刀具角度與切削力之間的關(guān)系;張程焱等[4]通過(guò)正交試驗(yàn)研究了切削參數(shù)對(duì)加工表面完整性的影響;鄭耀輝等[5]利用仿真軟件建立銑削加工仿真模型,采用正交試驗(yàn)以及單因素試驗(yàn)研究銑削參數(shù)對(duì)切削力和溫度的影響,并且對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;Dobrot? Dan等[6]設(shè)計(jì)了一款智能刀具,建立了切削加工模型,通過(guò)表面粗糙度分析驗(yàn)證了智能刀具的可行性;Sethupathy A.等[7]建立了刀具幾何參數(shù)和加工參數(shù)預(yù)測(cè)切削力的統(tǒng)計(jì)模型,采用響應(yīng)面法對(duì)7075-T6鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)并分析了工藝參數(shù)對(duì)切削力的直接影響;陳良驥等[8]以降低銑削力和銑削熱為目標(biāo),結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)7075-T6鋁合金銑削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

大多數(shù)研究是對(duì)切削參數(shù)以及刀具角度進(jìn)行優(yōu)化,但是在不同刀具材料以及刀具幾何參數(shù)對(duì)切削加工的影響方面研究較少。本文利用ABAQUS軟件對(duì)不同刀具材料以及不同刀具幾何參數(shù)的加工切削過(guò)程進(jìn)行分析,以改善難加工材料的切削加工性能,并且更合理地選擇刀具材料以及幾何參數(shù)。隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的學(xué)者利用有限元模型解決加工中面臨的工藝問(wèn)題,為實(shí)際加工提供參考。

2 建立基于ABAQUS切削有限元模型

2.1 建立有限元模型

基于ABAQUS軟件建立7075-T6鋁合金切削加工仿真模型,切削加工仿真模型見(jiàn)圖1。工件尺寸為6mm×3mm,模型的網(wǎng)格劃分使用四面體結(jié)構(gòu)雙線性熱—力耦合單元。為了確保仿真的準(zhǔn)確性,對(duì)鋁合金工件上的切削區(qū)域以及加工刀具的接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。加工工件的底面被完全固定,刀具和加工工件的初始溫度均設(shè)為25°,刀尖為圓弧狀,圓弧半徑r=0.003mm。切削加工參數(shù)為:切削速度v=3000mm/s,切削深度ap=0.5mm。

圖1 切削仿真模型

2.2 建立本構(gòu)模型

ABAQUS軟件的材料庫(kù)中包含了各種材料的物理屬性以及本構(gòu)關(guān)系等,金屬材料切削加工仿真常用的本構(gòu)模型有Johnson-Cook模型、Bodner-Paton模型、Zerilli-Armstrong模型及冪函數(shù)形式模型[9]。

7075-T6鋁合金材料在切削過(guò)程中會(huì)處于溫度高、形變量大以及高應(yīng)變速率的狀態(tài),導(dǎo)致該材料的彈塑性發(fā)生改變。因此,在構(gòu)建本構(gòu)模型時(shí),需要考慮各種因素對(duì)工件材料硬化的影響。

J-C模型能準(zhǔn)確描述被加工工件的應(yīng)變率、溫度、應(yīng)變硬化等問(wèn)題,并且該模型參數(shù)較少、預(yù)測(cè)精度較高,其模型表達(dá)式為[10]

(1)

使用J-C失效準(zhǔn)則建立切屑和工件的分離斷裂失效標(biāo)準(zhǔn),由J-C失效準(zhǔn)則定義的單元損傷為

(2)

式中,D為損傷失效參數(shù)。當(dāng)D=0時(shí),為起始時(shí)刻;當(dāng)D≥1時(shí),材料失效。

(3)

(4)

(5)

式(1)～式(5)中的未知參數(shù)可以通過(guò)各種力學(xué)試驗(yàn)來(lái)獲取,具體試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

圖2 獲取J-C本構(gòu)參數(shù)的力學(xué)試驗(yàn)

2.3 7075-T6鋁合金及刀具特性

仿真試驗(yàn)工件材料為7075-T6鋁合金,其力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)[11]見(jiàn)表1。切削仿真時(shí)7075-T6鋁合金材料的J-C本構(gòu)參數(shù)[12]見(jiàn)表2,J-C損傷失效參數(shù)[13]見(jiàn)表3。

表1 7075-T6鋁合金的屬性參數(shù)

表2 7075-T6鋁合金的J-C本構(gòu)參數(shù)

表3 7075-T6鋁合金的J-C失效參數(shù)

切削加工過(guò)程中,刀具的選擇非常重要。因此,仿真試驗(yàn)選擇常用且具有代表性的刀具,分別為PCBN刀具、YG6X硬質(zhì)合金刀具、YG8硬質(zhì)合金刀具,不同刀具的屬性見(jiàn)表4。在切削仿真過(guò)程中需將刀具定義為剛體。

表4 不同刀具的屬性參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

利用ABAQUS有限元軟件建立切削加工仿真模型,確定不同刀具材料對(duì)切削力的影響,得出最優(yōu)切削加工刀具,采用單因素試驗(yàn)法通過(guò)改變刀具的前角以及后角大小來(lái)分別研究其對(duì)7075-T6鋁合金切削加工時(shí)切削力的影響。

3.1 不同材料加工刀具對(duì)切削力的影響

保持基本量不變,切削速度v=3000mm/s,刀尖圓弧半徑r=0.003mm,刀具前角γ=6°,刀具后角α=10°。由ABAQUS軟件仿真分析得出不同刀具切削加工的切削力(見(jiàn)圖3)。

圖3 不同材料屬性刀具切削加工的切削力曲線

由圖3可得,在7075-T6鋁合金切削加工過(guò)程中,使用YG8硬質(zhì)合金刀具所受的切削力比PCBN刀具以及YG6X刀具切削加工時(shí)所受的切削力小,因此選用YG8硬質(zhì)合金刀具時(shí)加工效果最優(yōu)。

3.2 刀具前角對(duì)切削力的影響

采用YG8硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削加工,切削參數(shù)設(shè)置為:切削速度v=3000mm/s,刀尖圓弧半徑r=0.003mm,刀具后角α=10°。刀具前角γ分別為0°,3°,6°,9°和12°。由ABAQUS軟件仿真得出不同刀具前角切削加工的切削力值(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同前角的切削力曲線

由圖4可得,在7075-T6鋁合金切削加工過(guò)程中,隨著刀具前角γ不斷增大,切削力逐漸減小,導(dǎo)致加工變形區(qū)的剪切角不斷變大,使得形變系數(shù)以及7075-T6鋁合金材料塑性變形程度越來(lái)越小;同時(shí),刀具前刀面與切屑的接觸區(qū)域變窄,導(dǎo)致切屑與前刀面間的摩擦力變得越來(lái)越小。因此,當(dāng)?shù)毒咔敖铅貌粩嘣龃髸r(shí),切削力逐漸減小。

3.3 刀具后角對(duì)切削力的影響

采用YG8硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削加工,切削參數(shù)設(shè)置為:切削速度v=3000mm/s,刀尖圓弧半徑r=0.003mm,刀具前角γ=6°。刀具后角α分別為5°,7°,10°,12°和15°。由ABAQUS軟件仿真得出不同刀具前角切削加工的切削力值(見(jiàn)圖5)。

圖5 不同后角的切削力曲線

由圖5可得,在7075-T6鋁合金切削加工過(guò)程中,隨著刀具后角α增大,水平切削力Fx的變化相對(duì)較小,而垂直切削力Fy的變化相對(duì)較大,并且刀具后刀面以及7075-T6鋁合金材料表面彈性恢復(fù)層的接觸寬度會(huì)受到刀具后角α的影響。而且,在加工過(guò)程中,由于后角不斷增大,導(dǎo)致垂直方向受到的擠壓力逐漸變小,因此后角α的變化對(duì)垂直切削力Fy的影響較大。故刀具后角α不斷增大時(shí),垂直切削力Fy會(huì)隨著刀具后角α的增大而減小。由于刀具后角α逐漸增大,刀具的楔角隨之變小,導(dǎo)致刀尖圓弧半徑變小,刀具刀刃變得更加鋒利,此時(shí)更易于切削加工。由于刀具后刀面以及7075-T6鋁合金材料表面彈性恢復(fù)層的接觸寬度變小,因此可以降低后刀面上所受擠壓力,從而降低垂直切削力Fy。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ABAQUS軟件建立了7075-T6鋁合金的切削加工仿真模型,結(jié)合單因素試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1)采用不同刀具材料切削加工7075-T6鋁合金時(shí),YG8硬質(zhì)合金刀具所受切削力比PCBN刀具以及YG6X刀具切削加工時(shí)所受切削力要小,因此選用YG8硬質(zhì)合金刀具時(shí)加工效果最優(yōu);

(2)在7075-T6鋁合金切削加工過(guò)程中,隨著刀具前角的不斷增大,所產(chǎn)生的切削力顯著降低;

(3)在7075-T6鋁合金切削加工過(guò)程中,刀具后角的不斷增大對(duì)水平切削力Fx的影響相對(duì)較小,但對(duì)垂直切削力Fy的影響相對(duì)較大。