基于LS_DYNA鋁合金切削毛刺仿真分析

■ 中信戴卡股份有限公司 （河北秦皇島 066011） 蔡衛(wèi)民 劉鳴華 于志遠 王亞軍

鋁合金輪轂是汽車的重要零部件，鋁車輪是汽車輕量化非常理想的選擇之一。在鋁車輪正面切削加工過程中，極易產生毛刺，去除毛刺耗費大量的人力物力，影響加工效率，且毛刺去除不凈，邊角處易產生漆膜腐蝕，影響外觀質量。因此有必要對毛刺產生機理進行分析并探尋解決方案。

1.鋁合金切削有限元模型

（1）幾何模型：在L S_DYNA中建立鋁合金樣塊及刀具的切削模型，如圖1所示。其中鋁合金樣塊長a=5mm、高b=2.5mm、寬c=2.5mm，終邊角度α=45°，刀具切削深度h=0.3mm。刀具前角為8°，后角為7°，刀具切削速度v=25m/s。

圖1 鋁合金切削模型

（2）材料模型：由于所用刀具為鉆石刀片，其硬度遠大于鋁合金，所以刀具采用剛體模型020-rigid，其材料參數如表1所示。

表1 刀具材料參數

由于切削過程金屬一般要發(fā)生大應變和高溫升，發(fā)生彈塑性流動，所以本文鋁合金樣塊采用015-Johnson cook模型，該材料模型是一個能反映應變率強化效應和溫升軟化效應的理想剛塑性強化模型，其應力表達式如下：

σ=[A+B（εpl）n][1+Cln（εpl/ε0）]（1－Tm）

式中，σ為等效應力；A、B分別為材料的初始屈服應力和應變硬化常數；C、n、m分別為材料特征因數、加工硬化指數、熱軟化因數；εpl為等效塑性應變；ε0為等效塑性應變率；T為溫度。

鋁合金材料參數如表2所示。

表2 鋁合金材料參數

（3）邊界條件：為模擬真實切削過程，對鋁合金樣塊底部進行全約束，限制其所有自由度。利用剛體邊界條件，設置刀具沿切削方向的速度為25m/s，持續(xù)時間為0.3ms。

（4）摩擦接觸模型：侵蝕接觸用于當一個或兩個表面的單元在接觸時發(fā)生材料失效，接觸依舊在剩余的單元進行的情況。在切削過程中，鋁合金被切削部分單元失效，產生切屑被移除，刀具與鋁合金樣塊之間設置節(jié)點對面的侵蝕接觸，刀具與切屑之間設置單面的侵蝕接觸。

（5）熱力耦合模型：本文采用熱力耦合分析模型，考慮切削過程刀具、鋁合金樣塊及切屑之間的熱量產生及熱量傳導，保證能量的穩(wěn)定性。

2.鋁合金切削毛刺形成過程分析

在刀具切削過程中，刀具前刀面對切削層金屬產生擠壓和摩擦作用，當產生的切應力達到鋁合金材料的屈服強度時，金屬材料發(fā)生剪切滑移，并沿前刀面逐漸流出，形成切屑。由圖2可以看出，仿真產生的切屑呈連綿不斷的帶狀，稱之為帶狀切屑，這與鋁合金的材料性質和實際加工狀況一致。切削層從開始變形到形成切屑有一個過渡平面，稱之為剪切面，剪切面與切削速度方向的夾角為剪切角。

終邊角度為65°時，毛刺形成過程如圖2所示，在刀具切入鋁合金樣塊的過程中，毛刺極其微小，與現場加工狀態(tài)相符，對于鋁車輪表面質量沒有顯著影響，故可以忽略不計。當刀具臨近樣塊終端時，由于終端沒有約束作用，樣塊塑性變形逐漸增大，切削層沿滑移線開始滑移，如圖2a所示。

隨著刀具繼續(xù)切削，切削層沿滑移線繼續(xù)滑移，剪切角逐漸變小，且切削層繞樣塊終端某支點開始旋轉，如圖2b所示。隨著刀具繼續(xù)切削，切削層繼續(xù)旋轉，且切削層與刀具接觸部位開始產生裂紋，發(fā)生斷裂，如圖2c所示。

圖2 毛刺形成過程（終邊角度65°）

隨著刀具繼續(xù)切削，裂紋逐漸擴展，直至切削層與鋁合金樣塊完全分離，同時在樣塊終端形成毛刺，且由于滑移線與樣塊終端斜面存在差異，所以毛刺存在一定程度的尖角。毛刺的大小主要采用毛刺高度和毛刺根部厚度進行評價，該毛刺存在尖點，且毛刺根部厚度較大，對漆膜覆蓋產生影響，需人工去除。

影響毛刺形成和大小的因素主要有：工件材料和工件結構、切削用量、刀具參數、加工方式等，其中鋁合金車輪加工采用車削方式，刀具參數和切削用量已根據鋁車輪質量要求調整至較優(yōu)，所以本文主要通過改變工件結構，驗證終邊角度和出刀圓弧對于毛刺產生和大小的影響規(guī)律。

3.終邊角度對于毛刺尺寸的影響

終邊角度分別選取25°、45°、65°、90°，不同終邊角度下的毛刺形態(tài)如圖3所示，不同終邊角度下的毛刺大小如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，不同終邊角度下，毛刺形態(tài)及大小均存在明顯差異，隨著終邊角度的增大，毛刺高度和毛刺根部厚度均逐漸增大，且增大不存在相應的線性關系。

當終邊角度為25°時，出刀側毛刺形態(tài)較平緩，毛刺的高度和根部厚度分別為0.04mm和0.23mm，毛刺較小且毛刺不存在突起尖角，基本不會對漆膜覆蓋及外觀狀態(tài)產生明顯影響。

當終邊角度為45°時，出刀側毛刺存在向上翹起的尖角，毛刺的高度和根部厚度分別為0.1mm和0.27mm，影響漆膜覆蓋，但毛刺尺寸較小，去除難度不大。

圖3 不同終邊角度下的毛刺形態(tài)

圖4 不同終邊角度下的毛刺大小

當終邊角度為65°時，出刀側存在較為明顯的擠壓變形，毛刺基本呈三角形狀態(tài)，毛刺最高點與出刀點存在一定距離，毛刺的高度和根部厚度分別為0.19mm和0.59mm，對漆膜覆蓋產生明顯影響，且由于毛刺根部尺寸較大，毛刺去除較難。

當終邊角度為85°時，毛刺與切屑粘連在一起，并未完全分離，毛刺的高度和根部厚度分別為1.95mm和0.8mm，由于該毛刺根部很大，用普通毛刺刀去除不便，且對毛刺刀壽命產生嚴重影響，在實際的生產實踐中應盡量避免該種造型。

4.結語

本文建立了鋁合金切削毛刺的有限元模型，對毛刺產生機理進行分析，并探尋出刀處終邊角度對于毛刺大小的影響規(guī)律。研究結果表明，終邊角度會對毛刺的形態(tài)及大小產生重要影響，因此在造型的設計階段應重點考慮造型對毛刺的影響，在可能的情況下對產品出刀側進行倒角，且倒角≤45°為宜。