6063鋁合金鉆孔仿真與毛刺形成機理研究

劉慶倫，馮 嫦

（中山火炬職業技術學院，廣東中山528436）

6063鋁合金鉆孔仿真與毛刺形成機理研究

劉慶倫，馮 嫦

（中山火炬職業技術學院，廣東中山528436）

主要對1.5 mm薄板鉆孔過程，基于abaqus仿真軟件進行了三維鉆孔過程仿真，通過對比實驗過程中觀察到的鉆孔入孔毛刺以及毛刺的仿真形成狀態，研究毛刺在鉆孔過程中形成的機理，從而促進工藝優化，抑制毛刺的產生。

abaqus；三維鉆孔仿真；6063鋁合金

鋁包木門窗是在保留純實木門窗特性和功能的前提下，將隔熱斷橋鋁合金型材和實木通過機械方法復合而成的框體，充分照顧了木材和金屬收縮系數不同的屬性[1-2]。鋁包木新型裝飾材料是一種復合材料，由鋁合金及木材組合而成，在鉆孔過程中鉆孔入孔毛刺及出孔毛刺會影響其他裝飾件的安裝，因此通過實驗及仿真的方法研究毛刺的生成及抑制其產生的方法將有效提升該種復合材料的鉆孔加工效率及質量。在木材切削三維仿真過程中，通過理論分析對刀具設計參數進行優化，結果證明：當前角為25°時，刀具接觸長度上靠近切削處的等效應力相對較小，從而可延長刀具使用壽命[1]。本文的主要目的在于通過鋁合金的三維鉆孔仿真與鉆孔過程圖片進行對比分析觸控毛刺產生的原因，為有效提升這種新型裝飾材料的鉆孔質量提供機理方面的支撐。

1 毛刺仿真

本文中采用6063鋁合金進行鉆孔過程仿真，鋁合金的化學成分、力學性能及應力應變曲線見表1、2及圖1所示[2]。鉆孔用鉆頭采用普通麻花鉆如圖2所示，建模使用Solidworks三維軟件完成，鉆頭材料使用W18Cr4V高速鋼，彈性模量為196 GPa，泊松比為0.3，密度為8 700 kg/m3[3]，仿真軟件采用Abaqus仿真軟件，仿真過程中為減少計算時間使用質量放大倍數為1 000，鉆孔參數采用主軸轉速1 000 r/min，進給速度為250 mm/min.

表1 6063合金化學成分

表2 6063合金力學性能

圖1 6063應力應變曲線

圖2 φ8鉆頭建模與實物

如圖3所示在鉆頭入鉆的瞬間材料處于擠壓變形，此過程并未產生切削動作，材料在鉆頭橫刃的旋轉擠壓力作用下扭曲變形。當鉆頭進入材料內部之后主切削刃開始對邊界材料進行切削動作，從圖4云圖上可以看出切削動作并未使材料產生大的毛刺，這說明這個過程中切削過程良好。當鉆頭對1.5 mm薄板出孔時，根據圖5所示，當剩余材料過薄時在鉆孔軸向力及橫刃的擠壓作用下出孔位置形成明顯凸起，這個過程中沒有良好的切削過程，出孔呈現擠壓破裂的狀態，破裂后的材料在軸向方向上沒有足夠的支撐力作用下呈現向下彎曲并最終形成較大的毛刺，如圖6所示。

圖3 鉆頭擠壓入鉆應力云圖

圖4 鉆孔過程應力云圖

圖5 出孔擠壓變形

圖6 出孔毛刺云圖

2 仿真與實驗對比

實驗過程中使用數控機床采用主軸轉速1 000 r/min，進給速度為250 mm/min，對6063鋁合金1.5 mm薄板進行鉆孔加工并進行顯微觀察。如圖7所示（1）（2）圖為入孔毛刺的整體圖，（3）、（4）為毛刺的局部放大圖片，毛刺尺寸大小較小，主要是在切削過程中由主切削刃的尾部形狀以及螺旋槽的螺旋上升功能導致在孔的邊界上形成較小的向上的毛刺。這個現象與仿真結果能較好地對應。如圖8所示為出孔毛刺圖片，在孔外部向下形成明顯受擠壓變形而未形成切削動作的大的出孔毛刺，而在除去大的毛刺之外毛刺的尺寸較小，這個現象與仿真的結果基本符合。

圖7 入孔毛刺

TG521

A

1672-545X（2016）11-0134-02

2016-08-07

中山市科技計劃項目資助（項目編號：2014A2FC293）

劉慶倫（1982-），男，山東龍口人，講師，碩士，研究方向為機械制造技術。