超聲振動加工鋁合金時切削區(qū)域溫度場的仿真研究*

□ 劉愛軍 □ 周知進， □ 胡斌梁 □ 邵 芳

1.貴州理工學院機械工程學院 貴陽 550003

2.湖南科技大學機電工程學院 湖南湘潭 411201

1 研究背景

鋁合金具有密度小、強度高、導電導熱性好、耐腐蝕和可焊性強等特點，在現(xiàn)代制造業(yè)中占有非常重要的地位。但是另一方面，鋁合金零件加工后容易出現(xiàn)變形問題。

引起鋁合金零件加工后變形的根本原因是零件內應力發(fā)生了變化。零件內應力改變是由于宏觀或微觀組織發(fā)生了不均勻的體積變化而導致的。具有內應力的零件處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，其內部組織有強烈的傾向要恢復到穩(wěn)定且沒有內應力的狀態(tài)。鋁合金棒材處于暫時平衡狀態(tài)時，若通過機械加工去除某些表面部分，就打破了暫時平衡，內應力會重新分布，零件因此產生了變形［1］。

對零件質量要求的不斷提高和新型材料的出現(xiàn)，推動了新的加工方法不斷產生，超聲振動加工就是其中之一。這一加工技術在過去十幾年中得到了迅速發(fā)展，凸顯出其在難加工脆硬性材料加工領域的巨大優(yōu)勢。

超聲振動加工在工業(yè)發(fā)達國家應用較早，已有許多研究成果［2］。國內起步則較晚，許多問題還沒有研究清楚，特別是超聲振動加工時零件表面硬化、內應力及切削區(qū)溫度場等問題，仍是專家學者重點研究的課題之一。超聲振動切削加工在高延展性金屬材料制造中具有優(yōu)勢［3］。 焦峰等［4-5］建立了普通硬切削和超聲硬切削45號淬火鋼的二維熱力耦合模型。許幸新等［6］采用超聲振動加工技術對顆粒增強鋁基復合材料進行了試驗，結果表明采用超聲振動加工獲得的零件表面粗糙度值小于傳統(tǒng)機加工。沈學會［7］通過研究得出超聲振動有助于減小加工尺寸偏差，提高振幅有利于提高加工尺寸精度的結論。陳杰等［8-9］采用超聲車削方法對鎢基合金材料進行了試驗，研究了切削與振動參數(shù)對加工零件尺寸精度的影響。唐進元等［10］建立了超聲振動輔助磨削模型。何玉輝等［11］建立了軸向超聲振動輔助磨削中磨削力的預測模型。朱宗濤等［12］研究了超聲振動對A7N01鋁合金激光-MIG復合熔覆層成形、組織及力學性能的影響。徐可偉［13］等利用由普通機床改造得到的超聲振動加工機床，對顆粒增強鋁基復合材料進行了加工試驗。現(xiàn)實情況是，超聲振動加工鋁合金時的切削原理還沒有徹底研究清楚，頻率與振幅如何影響切削區(qū)溫度場的變化還需要進一步研究。

2 有限元仿真模型

建立切削幾何模型，如圖1所示。利用Step模塊建立工件與刀具的接觸關系，如圖2所示。

工件材料為7075-T6鋁合金，密度為2 810 kg/m3，彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33。刀具采用硬質合金，密度為 14 500 kg/m3，彈性模量為600 GPa，泊松比為0.25。工件建模尺寸為60 mm×10 mm×5 mm，切削形式為直角自由切削，刀具幾何形狀為前角5°、后角10°，切削速度為50 m/min，基體材料網(wǎng)格采用4節(jié)點熱力耦合線性縮減單元。

▲圖1 切削幾何模型

▲圖2 工件與刀具接觸關系

定義工件切削環(huán)境溫度為20℃，限制刀具在Y軸和Z軸方向上的轉動自由度與移動自由度，并將高頻超聲振動分別施加在刀具切削X軸方向上與吃刀抗力Y軸方向上，模型切削工藝參數(shù)采用文獻［6］中的試驗數(shù)據(jù)，切削過程為干式切削。

3 仿真結果分析

3.1 Y軸方向溫度場

仿真時超聲振動頻率分別設為10 kHz、20 kHz、30 kHz 、40 kHz、50 kHz，振幅分別設為 8 μm、10 μm、12 μm，切削速度為 50 m/min，背吃刀量為 0.2 mm，進行15種工況的仿真切削。

如圖3所示，在Y軸方向施加超聲振動后，隨著超聲振動頻率的增大，無論振幅如何，7075-T6鋁合金工件加工區(qū)最高溫度均逐漸降低，可見提高振動頻率可以降低最大切削溫度。當超聲振動頻率大于40 kHz后，最高溫度梯度減小，曲線趨于平緩，且三種振幅情況下最大溫度差異趨于接近，主要原因是切屑帶走熱量的效果逐漸減弱。

▲圖3 Y軸方向超聲振動切削曲線

在振動頻率不變的情況下，隨著振幅的增大，7075-T6鋁合金工件加工區(qū)最高溫度逐漸升高，也就是說，振幅12 μm時的最高溫度高于振幅10 μm時的最高溫度，振幅8 μm時的最高溫度最低。振幅的增大使被加工表面溫度呈升高趨勢，但是隨著超聲振動頻率的繼續(xù)增大，這種溫度升高的趨勢逐步減弱。

3.2 X軸方向溫度場

如圖4所示，在X軸方向施加超聲振動后，在其它參數(shù)相同的情況下，增大刀具振動頻率，可以有效降低切削溫度，頻率為10 kHz時切削區(qū)的最高溫度為195℃，頻率為20 kHz時切削區(qū)的最高溫度次之，頻率為50 kHz時切削區(qū)的最高溫度為130℃。

由此可見，在振幅相同的條件下，隨著超聲振動頻率的增大，被加工表面溫度呈下降趨勢，這是由于超聲振動頻率增大，切屑更易于分離，從而帶走了大部分熱量。

當超聲振動頻率相同時，隨著振幅的增大，工件加工區(qū)的最高溫度逐漸增大，即振幅12 μm時溫度最高，振幅10 μm時溫度次之，振幅8 μm時溫度最低。隨著超聲振動頻率的繼續(xù)增大，三種情況下的最高溫度差異趨于縮小，并逐漸趨于一致。

▲圖4 X軸方向超聲振動切削曲線

4 結論

通過分別對7075-T6鋁合金工件在X軸和Y軸方向進行超聲振動加工后的切削溫度場進行數(shù)值模擬研究，得到以下結論：

（1）隨著超聲振動頻率的增大，7075-T6鋁合金工件加工區(qū)的最高溫度逐漸降低，也就是說，提高振動頻率可以有效降低最大切削溫度；

（2）當超聲振動頻率相同時，隨著振幅的增大，工件加工區(qū)的最高溫度逐漸升高；

（3）當超聲振動頻率大于40 kHz后，振幅對工件加工區(qū)最高溫度的影響減弱。