7050-T7451鋁合金直角切削仿真研究*

陳衛(wèi)林 楊 東 吳 敏 馬浩騫

1.國營蕪湖機(jī)械廠 安徽蕪湖 241007 2.安徽天航機(jī)電有限公司 安徽蕪湖 241060 3.安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 合肥 230601

1 研究背景

航空航天和國防工業(yè)等領(lǐng)域中,使用鋁合金不僅能夠滿足重要構(gòu)件輕量化的設(shè)計(jì)需求,而且可以保證零件具有高可靠性和長壽命的服役性能[1]。鋁合金切削加工表面質(zhì)量的優(yōu)化與控制是保障零件功能和使用壽命的關(guān)鍵。當(dāng)然,鋁合金材料因自身的物理和力學(xué)性能,在加工過程中容易導(dǎo)致刀具讓刀、變形、振動(dòng)等問題,切削加工精度,特別是形位精度很難保證[2]。對(duì)鋁合金切削加工進(jìn)行研究,分析切削工藝參數(shù)對(duì)切削力、切削熱的影響規(guī)律,對(duì)實(shí)現(xiàn)鋁合金材料的高效、高質(zhì)量切削具有重要理論和實(shí)踐意義。

采用有限元方法對(duì)切削過程進(jìn)行數(shù)值仿真,是解決零件加工工藝問題和保證零件加工精度的有效手段[3-4]。筆者基于ABAQUS有限元軟件,對(duì)7050-T7451鋁合金切削過程進(jìn)行仿真,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和極差分析方法,研究刀具前角、切削深度、切削速度對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律,為鋁合金切削工藝參數(shù)的優(yōu)選和生產(chǎn)過程的控制提供技術(shù)參考。

2 切削仿真模型

2.1 幾何模型

切削加工中,切削寬度與進(jìn)給量相比較大時(shí),材料去除過程可簡化為平面應(yīng)變問題。切削幾何模型如圖1所示。切削幾何模型中,工件預(yù)定義為切屑層、連接層、材料基體三部分。除刀具后角ξ取值為常數(shù)外,刀具前角γ、切屑層厚度均為變量。平面應(yīng)變問題中,切屑層厚度與實(shí)際切削過程中的進(jìn)給量數(shù)值一致。

▲圖1 切削幾何模型

2.2 初始條件

根據(jù)工件在機(jī)床工作臺(tái)上的實(shí)際裝夾情況,約束切削幾何模型中材料基體底部邊線的自由度。假定刀具為解析剛體,保留其沿水平方向運(yùn)動(dòng)的自由度,速度即為切削速度。初始溫度設(shè)置為室溫20 ℃,接觸副定義為切屑層右側(cè)、頂部與刀具。切屑層、刀具之間的摩擦符合庫侖摩擦定律,摩擦因數(shù)為0.5[5]。連接層失效準(zhǔn)則為剪切失效。

2.3 控制方程

在給定的初始條件和邊界條件情況下,切削仿真過程是對(duì)包含變形分析方程和熱分析方程的控制方程求解的過程[6]。應(yīng)力平衡方程為:

(1)

金屬切削過程是一個(gè)高溫、高壓、高應(yīng)變和高應(yīng)變率的強(qiáng)耦合非線性動(dòng)態(tài)過程,因此,選用Johnson-Cook本構(gòu)方程表征鋁合金在高應(yīng)變率加載條件下的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。

Johnson-Cook本構(gòu)模型將影響流動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)、溫度效應(yīng)用連乘的形式聯(lián)系在一起,進(jìn)而綜合反映變形熱力參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系,表達(dá)式為:

(2)

流動(dòng)法則為:

(3)

屈服準(zhǔn)則為:

(4)

熱分析方程為:

(5)

式中:K為導(dǎo)熱系數(shù);dqgen/dt為產(chǎn)熱率;ρ為密度;c為比熱容;t為時(shí)間。

2.4 材料參數(shù)

7050-T7451鋁合金的Johnson-Cook模型參數(shù)見表1[7],7050-T7451鋁合金的理化參數(shù)見表2[8],刀具材料YG8的理化參數(shù)見表3[9]。

表1 7050-T7451鋁合金Johnson-Cook模型參數(shù)

表2 7050-T7451鋁合金理化參數(shù)

表3 刀具材料理化參數(shù)

2.5 網(wǎng)格控制

有限元仿真的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)整體離散為多個(gè)單元進(jìn)行研究,網(wǎng)格劃分是建立有限元仿真模型的重要環(huán)節(jié),單元類型與數(shù)量對(duì)計(jì)算精度、計(jì)算規(guī)模均會(huì)產(chǎn)生直接影響。單元類型表現(xiàn)為單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與分布,增加單元節(jié)點(diǎn)會(huì)使計(jì)算精度有所提高,但計(jì)算規(guī)模也會(huì)增大。工件是切削加工仿真的主要研究對(duì)象,網(wǎng)格單元類型選擇為CPE4RT,這種四節(jié)點(diǎn)線性位移溫度耦合平面應(yīng)變單元能有效減小位移。

網(wǎng)格單元的節(jié)點(diǎn)以種子為基礎(chǔ),撒種的數(shù)量決定網(wǎng)格的數(shù)量,撒種的類型決定網(wǎng)格的疏密,網(wǎng)格數(shù)量增加,密度增大,計(jì)算精度會(huì)有所提高,但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增大。因?yàn)榍邢鬟^程中的熱力載荷主要集中于表面層區(qū)域,所以切屑層部分網(wǎng)格劃分比材料基體部分網(wǎng)格劃分密集。

3 仿真有效性驗(yàn)證

在VMC0540d銑削加工中心上進(jìn)行7050-T7451鋁合金直角切削加工試驗(yàn),如圖2所示,銑削過程近似滿足直角切削條件。工件直徑為100 mm,厚度為2 mm。刀具采用TiN + AlTiN涂層,刀具前角為0°,后角為10°,切削方式為干切削。采用三向壓電式測(cè)力儀測(cè)試銑削力。試驗(yàn)時(shí)切削速度為200 m/min,進(jìn)給量為0.1 mm/Z。

▲圖2 7050-T7451鋁合金直角切削試驗(yàn)

切削力仿真值與測(cè)試值對(duì)比如圖3所示。對(duì)于切削方向分力Fc和工件徑向分力Fp,測(cè)試值都明顯大于仿真值,主要原因是在切削有限元模型建立過程中對(duì)三維問題進(jìn)行了平面應(yīng)變假設(shè),并對(duì)刀具與工件接觸模型等進(jìn)行了簡化。實(shí)際切削時(shí),切削變形區(qū)材料承受高溫、高壓、高應(yīng)變、高應(yīng)變率等非線性復(fù)雜載荷,導(dǎo)致材料的變形,以及刀、屑、工件間摩擦狀態(tài)很難準(zhǔn)確表征[10]。由圖3可知,切削方向分力仿真結(jié)果誤差為7.42%,工件徑向分力仿真結(jié)果誤差為23.7%。

▲圖3 切削力仿真值與測(cè)試值對(duì)比

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因素多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,對(duì)試驗(yàn)因素做合理有效安排,可以最大限度減小誤差,達(dá)到高效、快速、經(jīng)濟(jì)的目的。選取刀具前角、進(jìn)給量、切削速度三個(gè)因素,設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn),試驗(yàn)方案見表4。

表4 正交試驗(yàn)方案

5 仿真結(jié)果

鋁合金切削加工過程中,切削變形區(qū)機(jī)械應(yīng)力、切削溫度是影響加工變形的主要因素。切削變形區(qū)等效應(yīng)力云圖、溫度云圖分別如圖4、圖5所示。

▲圖4 切削變形區(qū)等效應(yīng)力云圖▲圖5 切削變形區(qū)溫度云圖

由于7050-T7451鋁合金在第一變形區(qū)發(fā)生壓剪塑性變形,并最終發(fā)生斷裂失效,因此第一變形區(qū)具有較大的應(yīng)力水平和較高的溫度。刀具前刀面與切屑的擠壓摩擦作用使第二變形區(qū)內(nèi)應(yīng)力和溫度比第三變形區(qū)高。

切削變形區(qū)最大應(yīng)力σmax、最高溫度Tmax、切削力切削方向分力Fc、切削力工件徑向分力Fp、切削合力Fs的仿真試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 切削仿真試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出,試驗(yàn)1得到的應(yīng)力最大,在小的刀具前角、慢的切削速度、小的進(jìn)給量下得到最大應(yīng)力為1 242 MPa。此外,試驗(yàn)1切削溫度最低,值為201 ℃。試驗(yàn)3得到的應(yīng)力最小,為948 MPa。切削溫度最高值出現(xiàn)在試驗(yàn)4,同時(shí)試驗(yàn)4得到的切削分力、切削合力最大。切削分力、切削合力最小值出現(xiàn)在試驗(yàn)13。

極差分析可以將復(fù)雜的多因素?cái)?shù)據(jù)處理問題轉(zhuǎn)換為簡單的單因素?cái)?shù)據(jù)處理問題,由極差能夠直觀地確定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生主要影響與次要影響的因素。極差越大,對(duì)應(yīng)因子的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大。經(jīng)過計(jì)算,得到切削變形區(qū)最大應(yīng)力σmax、最高溫度Tmax、切削分力Fc和Fp、切削合力Fs的極差,見表6。

表6 切削仿真試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由極差分析可知:對(duì)切削變形區(qū)最大應(yīng)力σmax和最高溫度Tmax影響最大的是切削速度,其次是進(jìn)給量;對(duì)切削力切削方向分力Fc影響最大的是進(jìn)給量,其次是刀具前角、切削速度;對(duì)切削力工件徑向分力Fp影響最大的是刀具前角,其次是切削深度、切削速度;隨著切削參數(shù)的變化,切削合力Fs具有與Fc相同的變化趨勢(shì)。σmax、Tmax、Fc、Fp、Fs與切削工藝參數(shù)之間的效應(yīng)曲線依次如圖6至圖10所示。

▲圖6 σmax與切削工藝參數(shù)間效應(yīng)曲線▲圖7 Tmax與切削工藝參數(shù)間效應(yīng)曲線▲圖8 Fc與切削工藝參數(shù)間效應(yīng)曲線▲圖9 Fp與切削工藝參數(shù)間效應(yīng)曲線

▲圖10 Fs與切削工藝參數(shù)間效應(yīng)曲線

由效應(yīng)曲線可以看出,隨著刀具前角的增大,切削變形區(qū)最高溫度Tmax降低,切削分力Fc和切削合力Fs均減小,最大應(yīng)力σmax未發(fā)生明顯變化,切削分力Fp隨著刀具前角增大先減小后反向增大。切削分力Fp反向增大可能導(dǎo)致切削刃處出現(xiàn)彎曲應(yīng)力,造成崩刃,因此,在筆者研究范圍內(nèi),最佳刀具前角為15°。同時(shí)考慮增大前角會(huì)使楔角減小,切削刃強(qiáng)度降低,散熱體積減小,切削實(shí)踐中刀具前角應(yīng)不大于15°。

隨著進(jìn)給量的增大,待去除材料的塑性變形程度減小,切削變形區(qū)最大應(yīng)力σmax減小。然而,由于單位時(shí)間內(nèi)的材料去除體積增大,切削變形區(qū)最高溫度Tmax上升,切削分力Fc與切削合力Fs增大,切削分力Fp減小。切削過程中,切削變形區(qū)機(jī)械應(yīng)力與溫度耦合作用,產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力。已有研究表明,機(jī)械應(yīng)力增大有利于表面壓應(yīng)力的產(chǎn)生,而溫度升高將導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力增大。因此,為了減小殘余應(yīng)力對(duì)加工零部件形位精度的影響,宜選用小的進(jìn)給量。通過效應(yīng)曲線看出,當(dāng)進(jìn)給量大于0.1 mm/Z時(shí),切削變形區(qū)應(yīng)力和溫度變化幅度較小,因此可以選用較大的進(jìn)給量,進(jìn)而提高材料去除效率。

隨著切削速度的加快,切削變形區(qū)最大應(yīng)力σmax、切削分力Fc和切削合力Fs減小,最高溫度Tmax上升?？紤]高速切削過程中產(chǎn)生的切削熱量快速被切屑帶走,切削時(shí)宜選擇較快的切削速度。在筆者研究范圍內(nèi),優(yōu)選切削速度為3.31 m/s。

6 結(jié)束語

筆者基于ABAQUS軟件對(duì)7050-T7451鋁合金直角切削過程進(jìn)行仿真研究[11-12],設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),采用極差分析方法,分析刀具前角、進(jìn)給量、切削速度對(duì)工件切削力和切削溫度的影響規(guī)律。

(1) 應(yīng)用所建立的有限元模型在預(yù)測(cè)切削力切削方向分力和工件徑向分力時(shí),誤差分別為7.42%和23.7%。

(2) 隨刀具前角的增大,切削力減小,切削溫度降低?？紤]到切削刃強(qiáng)度的影響,切削實(shí)踐中刀具前角應(yīng)不大于15°。

(3) 精加工工序選用小進(jìn)給量,可以減小殘余應(yīng)力對(duì)加工零部件形位精度的影響。當(dāng)進(jìn)給量大于0.1 mm/Z時(shí),切削變形區(qū)應(yīng)力和溫度變化幅度較小,因此可以選用較大的進(jìn)給量,進(jìn)而提高材料去除效率。

(4) 切削時(shí)宜選擇較快的切削速度,仿真參數(shù)范圍內(nèi)優(yōu)選切削速度為3.31 m/s。