鋁合金6061-T6銑削仿真與試驗研究*

張玉騰，楊發展,2，劉慶峰，喬石，李丹樂

(1.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266520； 2. 西安交通大學 機械工程學院，西安 710049)

鋁合金6061-T6銑削仿真與試驗研究*

張玉騰1，楊發展1,2，劉慶峰1，喬石1，李丹樂1

(1.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266520； 2. 西安交通大學 機械工程學院，西安 710049)

為了研究鋁合金材料在不同銑削參數下加工時的應力、溫度以及切屑形態變化，采用有限元分析軟件Abaqus、采用Johnson-Cook本構模型對鋁合金6061-T6銑削加工過程進行了銑削仿真分析,同時采用相同的銑削參數在VWC850B加工中心上進行了銑削實驗研究。通過對比分析發現，理論分析與有限元仿真結果和銑削試驗結果基本一致。試驗結果表明文中建立和應用的有限元模型較為準確，可為后續其他材料和加工參數進行優化和預測，對生產實踐具有重要的指導意義。

6061-T6鋁合金；有限元分析；銑削力；銑削溫度；本構模型

0 引言

隨著高速鐵路技術的不斷發展，高速列車車體的制造材料實現了從碳鋼向不銹鋼、鋁合金材料的轉變，尤其是鋁合金具有重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好，并且容易制造焊接為復雜曲面等優點而被廣泛應用，世界各國正在逐漸停止制造和使用碳鋼車體，全面轉向不銹鋼和鋁合金車體[1]。6061鋁合金經熱處理預拉伸工藝生產的高品質鋁合金產品，硅、鎂合金特性多，具有極佳的加工性能、優良的焊接特點和良好的抗腐蝕性等優良特點。另一方面，隨著計算機技術的快速發展，有限元仿真技術也迅速發展起來。通過有限元分析軟件可以對鋁合金加工過程進行可靠的模擬仿真從而更好的了解切削機理、探究切削過程以及對加工參數進行更好的優化。因此，基于有限元分析的金屬切削加工過程仿真技術具有重要的意義。

目前，國內外許多學者對鋁合金加工實驗和仿真進行了分析和研究，浙江大學董輝躍等人研究了鋁合金銑削加工的有限元模擬，揭示了刀—屑的接觸長度對應力、應變和切削溫度分布的影響[2]。陳明等應用有限元法對高速銑削鋁合金薄壁件過程中工件與刀具接觸面溫度及工件內部的溫度分布進行了仿真[3]。MohammadS.Hajmohammadi等人基于有限元模擬的切屑形成熱效應進行了研究[4]。上述研究常采用二維切削仿真方法進行銑削仿真，默認切削厚度不發生變化，并且采用康銅絲進行溫度采集的誤差較大，本文采用有限元分析軟件Abaqus基于真實刀尖的次擺線運動對鋁合金6061-T6銑削加工過程進行仿真分析，同時采用相同的切削參數在VWC850B加工中心上進行銑削實驗，實驗過程中將康銅帶代替康銅絲進行溫度采集以提高測量精度。通過實驗與有限元仿真的互相驗證，獲得比較準確的鋁合金銑削模型，對下一步的切削參數優化和生產實踐具有重要的指導意義。

1 Abaqus有限元仿真分析

基于Abaqus鋁合金銑削過程有限元建模包括二維幾何形狀模型、本構模型、切屑的分離準則、網格劃分、表面接觸類型和施加載荷等方面。

1.1 本構模型與分離準則

銑削過程應變大、溫度高，并且溫度、應變分布的梯度大。因此需要根據銑削過程的特點選用合適的本構模型。目前常用的本構模型有：Johnson-Cook、Bonner-Paton、Follansbee-Kocks等模型，目前能表征材料在高應變速率下的熱粘塑性變形的只有Johnson-Cook本構模型。模型關系為：

(1)

表1所示為6061-T6鋁合金的Johnson-Cook模型參數[5]。

表1 6061-T6鋁合金的Johnson-Cook模型參數

將Johnson-Cook失效模型與Johnson-Cook本構模型配合使用，可以更準確的表征大應變下的金屬變形失效，因此采用該失效模型。Johnson-Cook失效模型基于單元積分點的等效塑性應變來定義破壞參數，即：

(2)

(3)

表2 6061-T6鋁合金的Johnson-Cook失效模型參數

1.2 網格劃分

有限元仿真中網格質量對仿真結果影響較大，本模擬仿真中定義刀具模型為剛體，只考慮溫度的傳導，因此對刀具和基體材料采用了不同的網格類型進行劃分，刀具采用三角形自由網格類型，基體材料采用四邊形結構網格類型，相比三角形自由網格，四邊形結構網格穩定性更好。如圖1所示，刀具和工件材料使用了離散密度的網格劃分方法，使其在接觸密集區的刀尖部分和與切屑分離的基體表面獲得更加致密和均勻的網格，以便獲得更接近真實實驗結果的切屑形態和更高的計算精度。

(a)刀具網格劃分 (b)工件網格劃分圖1 刀具與工件網格劃分

1.3 有限元仿真計算

銑削加工過程中，刀具的旋轉和進給是同時進行的，因此切削刃上切削點的運動軌跡是一條次擺線，得到的切屑厚度是不斷變化的。但是，由于銑削過程中切屑厚度改變很小，因此可以把該次擺線路徑近似為圓弧。根據這種方法建立圖2所示的鋁合金銑削加工幾何模型，預測的切屑形態為半月牙型。

圖2 刀具與工件幾何模型

參數定義完成以后，提交任務至有限元分析軟件進行計算，最終完成一個銑削步，獲得的Mises分布云圖如圖3所示。從圖3可以看出，Mises應力最高達到400MPa，切屑形態也與實際的到的切屑圖片基本一致，因此可以得出模擬仿真結果比較準確的初步結論。

圖3 仿真過程中模型Mises應力分布云圖

2 實際銑削實驗

高速銑削實驗在VWC850B加工中心上進行，采用瑞士Kistler9225B三向測力儀對銑削力進行采集，采用橫河MX100溫度測量儀進行溫度采集，實驗現場如圖4所示。

圖4 實驗現場圖

實驗中溫度測量方法采用了半人工熱電偶法，測試的原理如圖5所示。該系統采用了厚度較薄的康銅帶，可以大幅彌補傳統半人工熱電偶法只能測量銑削過程中某一點瞬時溫度的不足，有效提高測量響應精度和測量精度。

圖5 銑削溫度測量系統

銑削所用的刀具材料為硬質合金刀具，刀具參數如表3所示。

表3 刀具材料參數

實驗方案與仿真方案相同，如表4所示。

表4 實驗方案

3 實驗與仿真結果對比

3.1 仿真與實驗切屑形態對比

圖6為模擬仿真和實際實驗獲得的切屑形態圖，圖6a仿真模擬得到的切屑形態呈圓弧狀，表面比較光滑，切屑殘余應力主要集中在切屑內側，圖6b實驗條件下得到的切屑形態整體也呈圓弧狀，在切屑尾部有輕微卷曲，內側出現細微鋸齒。

(a)實驗序號5仿真得到的切屑 (b)實驗序號5得到的切屑(放大100倍)

觀察兩張切屑形態基本相似，說明有限元仿真具有很好的準確性。觀察獲得仿真分析和實驗加工獲得的兩張切屑尾部的不同形態，出現的主要原因是利用abaqus進行建模時尾部由于尺寸太小為劃分網格造成了很大的困難，很容易在仿真運算時造成網格畸變，發生錯誤。于是在不影響仿真精度的前提下對切屑的尾端進行了切除處理，使得仿真運算更容易進行。此外實驗獲得了細小的鋸齒狀切屑，而在仿真實驗中得到的切屑并沒有細微的鋸齒，原因是由于切屑是在5000r/min的轉速下得到的，由于轉速較低造成切屑表面不平整，而銑削過程是一個連續的過程，因此造成了細微的鋸齒狀切屑，經過觀察，當轉速達到7000r/min時的切屑圖時，如圖7所示，切屑細微鋸齒基本消失，從對應的仿真結果可以看出速度的改變對切屑的整體形態改變不大，僅改變了切屑的弧度，速度越高，對應的切屑弧度也越大。

(a)實驗序號7仿真得到的切屑 (b)實驗序號7得到的切屑圖(放大100倍)

3.2 銑削力對比

鋁合金銑削實驗所測得的銑削力是連續周期性變化的，而建立的鋁合金銑削模型是一個周期內單個刀齒銑削工件的過程，因此需要從實驗所得的數據中提取穩定的一個周期力的變化情況，由于模型為二維銑削模型并且在實驗過程中X方向的受力最大，周期性特點最佳，因此僅對比X方向的銑削力進行對比分析。

(a)實驗序號6條件下銑削力

(b)實驗序號6條件下仿真得到的銑削力圖8 銑削實驗與模擬仿真得到應力變化曲線

圖8為銑削實驗與模擬仿真獲得的應力變化曲線圖。圖8a是經過平滑濾波后得到的三向銑削力變化曲線，可以看到曲線具有明顯的周期性變化。圖8b中銑削力迅速達到最大值然后隨著銑削厚度的減小銑削力逐漸下降，由于模型對切屑尖端進行了去除處理所以銑削力變化曲線在0.0007s時有驟降并伴有波動。

圖9 實驗序號3條件下的銑削力對比

圖9、圖10分別是實驗序號3、7條件下實驗測得和模型預測的銑削力對比結果。通過比較發現，兩種實驗條件下銑削力峰值均比較相符，相對誤差分別為13.6%和8.2%。但在銑削力峰值出現的時間上相對誤差較大，主要原因是模擬獲得的切屑形狀與實驗加工獲得的切屑存在一定區別，如圖11所示，采用這種切屑幾何形狀有利于有限元模型的順利計算，在有限元模型中切屑厚度迅速達到最大值，此時銑削力達到峰值，但是在實際實驗過程中，切屑厚度達到最大值需要一定時間，因此造成了實際實驗過程中銑削力峰值達到的時間要晚于模型預測時間。

圖10 實驗序號7條件下的銑削力對比

圖11 實際切屑與模型切屑對比

3.3 銑削溫度對比

圖12為模擬銑削仿真過程中溫度最高點的溫度變化圖，為了提供一個較真實連續銑削的環境條件，將刀具的初始溫度定義為600K(327°C)，從圖中可以看出整個模擬銑削過程溫度比較穩定，維持在400K(127°C)左右，隨著仿真模擬的進行溫度略有下降，分析原因是隨著銑削過程的進行，銑削厚度逐漸減小，銑削力逐漸減小，因此造成溫度的略有下降。

圖12 模擬仿真得到的溫度曲線

圖13為實驗測得與仿真預測的溫度對比，可以看出實驗測得與模型預測的溫度值基本相同，總體相對誤差維持在4.9%～19.6%之間，在允許誤差范圍以內。從圖12中還可以看出實驗測得的溫度值總體低于模型預測的溫度值，原因是實驗測量溫度會有一部分散失，造成溫度測量值比實際溫度值偏小。

圖13 實驗測得與仿真預測的溫度對比

4 結論

通過銑削實驗和有限元結果分析比較獲得以下結論：

(1)建立了適合6061-T6的銑削有限元模型，通過對比相同切削參數下的切屑形態、銑削應力以及銑削溫度的變化關系，實驗結果與模擬結果吻合度較高，并對出現的誤差進行了解釋，證明了有限元模型的準確性。

(2)通過建立準確性較高的6061-T6的銑削有限元模型，為進一步優化鋁合金加工工藝參數奠定了基礎，并且為生產實踐提供指導。

[1] 張慶陽.6061鋁合金高速銑削過程溫度場及殘余應力場研究[D].上海:上海交通大學,2014.

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[3] 陳明，袁人煒，凡孝勇，等．三維有限元分析在高速銑削溫度研究中應用[J]．機械工程學報，2002，38(7)：76-79．

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(編輯 李秀敏)

Simulation Analysis and Experimental Study on Milling of Aluminum Alloy 6061-T6

ZHANGYu-teng1,YANGFa-zhan1,2,LIUQing-feng1,QIAOShi1,LIDan-le1

(1.CollegeofMechanicalEngineering，QingdaoTechnologicalUniversity，QingdaoShandong266520,China；2.CollegeofMechanicalEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049,China)

Inordertoanalyzethestresses,temperaturesandchipshapesindifferentmillingparameters,millingprocesssimulationofaluminumalloy6061-T6wascarriesoutwithfiniteelementanalysissoftwareAbaqusbybasedonJohnson-Cookconstitutivemodel,andslot-millingexperimentwascarriedoutonaVWC850B5-axisCNCmachiningcenterwiththesamecuttingparameters.Throughcomparisonandanalysis,itisfoundthatthetheoreticalanalysisisconsistentwiththeresultsoffiniteelementsimulationandmillingexperiment.Theexperimentalresultsshowtheaccuracyofthefiniteelementmodel,itcanbeusedforothermaterialsandprocessingparametersforoptimizationandprediction,whichhasguidingsignificancetotheactualproductionpractice.

6061-T6aluminumalloy;finiteelementanalysis;millingforce;millingtemperature;constitutivemodel

1001-2265(2016)12-0042-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.012

2016-01-21;

2016-02-24

國家自然科學基金(51205219)；中國博士后科學基金(2013M532034)

張玉騰(1990—)，男，山東曲阜人，青島理工大學碩士研究生，研究方向為鋁合金高速加工與仿真，(E-mail)648628420@qq.com。

TH162;TG

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