鋁合金A6061在金剛石和硬質合金兩種刀具下的高速切削研究

周 鵬，劉厚根，李 皓

（中南大學 機電工程學院，長沙 410083）

0 引言

如今，高速加工技術[1]已經成為21世紀非常重要的先進制造技術之一，被廣泛應用于汽車、模具和航空等行業的零部件加工之中。鋁合金A6061作為這些行業廣泛使用的材料之一，強度和硬度較低，導熱系數高，但在實際加工過程中，由于鋁合金A6061的熔點低，加工時切屑跟刀具的粘結情況很嚴重，難以獲得較低的表面粗糙度和較高的加工精度，對刀具的磨損很嚴重，是屬于難加工材料。不過，對于像鋁合金A6061這樣難加工且常用的材料，僅僅改變一定的加工參數，例如調整刀具前后角，進給速度等，對于加工性能的改善程度，可能不如通過選擇合適的加工刀具，這樣能更好的提高相應的加工精度和效率，降低零件的表面粗糙度，減少刀具的損耗。

在加工企業中，硬質合金刀具和金剛石刀具由于都具有高強度、低韌性、較好導熱和抗熱膨脹等特性，因而，這兩種刀具被作為鋁合金A6061的高速切削加工的主要刀具。本文通過ABAQUS仿真軟件，采用有限元仿真的方法，模擬在不同切削速度條件下，金剛石和硬質合金兩種材料刀具在加工鋁合金A6061時的切削過程，一方面，研究在不同高速切削速度下，在兩種刀具切削時，模擬出鋁合金A6061工件相應的切削力和溫度，另一方面，通過仿真結果，進行對比分析，判斷哪一種刀具更適合于鋁合金A6061的高速加工[2,3]。最后，通過設計實際的車削試驗，驗證仿真所得到結論和結果，最終，為工廠實際生產加工做出一定意義的指導。

1 鋁合金A6061高速切削仿真

1.1 鋁合金A6061本構方程以及相關參數

在金屬切削過程中，通常產生高應力應變、高應變率以及高溫度，這些參數都會對材料的流動應力有很嚴重的影響[4]，為了準確的模擬出材料切削過程中的流動應力，則需要選擇準確可靠的本構方程來描述材料在被切削過程中的熱-機械性能。在國內外研究中，關于材料的本構方程有許多的數值模型，而本文采用的Johnson-Cook本構方程被公認為最適合金屬切削仿真的本構模型，公式如下[5]：

1.2 鋁合金A6061材料損傷失效

在ABAQUS仿真軟件中，為了模擬切屑的形成，需要在軟件中考慮到損傷失效。對于損傷模擬分兩步：損傷初始、損傷演化[7]。在本次仿真試驗中，采用的是Johnson-Cook剪切失效準則作為材料損傷初始準則，基于單元積分點的等效塑性應變來定義損傷參數ω，當ω的值達到1時，單元開始失效，公式定義為：

從材料開始損傷到完全失效有一個演化過程，損傷演化過程中材料的應力矩陣為：

式中：KIC是材料的I型裂紋的斷裂韌度；v是泊松比；E是楊氏模量，仿真試驗中，需要根據不同刀具材料，在不同切削速度中調節斷裂能量Gf的值，確保仿真不會因為網格變形過大，而中斷仿真試驗。

1.3 仿真切削模型的建立

本次采用的工件模型長寬尺寸為15mm×6mm，切削的長度為1.2 m m,分別對應的切削速度為5000mm/s、4500mm/s、4000mm/s、3500mm/s、3000mm/s、2000mm/s、1600mm/s、1200mm/s，切削厚度0.4mm，刀具的前角為0°，后角7°。兩種刀具材料的物理性能如表1所示[8,9]，切削模型具體如圖1所示[10,11]。

圖1 ABAQUS仿真模型

表1 兩種刀具材料的物理性能

2 仿真結果與討論

2.1 仿真過程工件切削溫度

在切削過程中，工件會發生嚴重的塑性變形，加之材料與刀具之間的摩擦，會使主剪切變形區域產生大量熱量，致使溫度升高，在鋁合金A6061高速切削中，切削溫度越高，工件的已加工表面則會因為高溫，更容易被氧化、腐蝕使得尺寸精度和表面質量下降，同時由于鋁合金A6061的熔點相對較低，切削過程中，當溫度超過熔點時，使得刀屑與刀具發生粘結，加劇刀具磨損，影響加工精度。在ABAQUS軟件中，控制正交加工過程的能量方程的穩態二維形式為：

式中：ηp表示非彈性熱分數，取值為0.9；表示滑移率，表示摩擦功換算系數，取值1；J表示導入工件的熱能分數，取值為0.5，摩擦剪切應力，Cp是比熱值，k表示熱傳導率，u表示應變，v表示切削速度。

圖2 兩種刀具所切削的工件溫度變化曲線

圖3 金剛石刀具所切削工件分別在切削速度96m/min、180m/min、240m/min、300m/min下的溫度場

其中，從圖2所展示了工件切削溫度的變化曲線可以看出，隨著切削速度的增加，工件塑性變形逐漸變大，與刀具間的摩擦熱量逐漸增多，導致工件的切削溫度不斷升高，當材料的塑性變形到一定程度不再增加時，僅有摩擦熱量還在積累，這時切削溫度的增長速率也就慢了下來，所以兩種刀具所對應工件切削溫度會先隨切削速度增加而快速上升，最后慢慢趨于穩定。但在兩種刀具中金剛石所對應的切削工件，最高溫度可達688.7K，而硬質合金刀具對應切削工件則為750.4K，兩者都小于鋁合金A6061的熔化溫度，因此該兩種在高速切削鋁合金A6061時不會產生粘刀現象，同時，在相同的切削速度下，金剛石的切削工件的溫度數值明顯要小于硬質合金的切削工件。圖3和圖4顯示了鋁合金A6061工件在一定切削速度下，被兩種刀具所切削形成的溫度場。在相同切削速度條件下，從圖中可以看出，金剛石工件所對應的刀尖溫度大小也要小于硬質合金工件。

2.2 仿真過程工件切削力

切削力是金屬切削分析中十分重要的參數，圖5表示了在不同切削速度下，兩種材料刀具所切削工件的切削力變化曲線。鋁合金A6061高速切削過程中，切削速度的增加，切削溫度也隨之上升，當溫度升高到一定數值時，會導致材料的強度和硬度也相應降低，因此切削力在初始階段隨著切削速度的上升而增加，當切削速度進一步提高時，切削力卻反而會逐漸下降，最后穩定下來。圖5中金剛石刀具的切削力最大值為273.4N，硬質合金刀具的切削力最大值為281.4N。當然，在相同切削參數下，更大的切削力，會引起更大的刀具磨損，同時，在加工時，機床所需的工作功率更大，甚至會引起機床振動，損壞加工機床。從仿真結果中可以看出，在相同切削速度下，金剛石刀具的切削力要遠小于硬質合金刀具。

圖4 硬質合金刀具所切削工件分別在切削速度96m/min、180m/min、240m/min、300m/min下的溫度場

圖5 兩種材料刀具的切削力

3 鋁合金A6061車削試驗

3.1 車削試驗模型

為了驗證仿真結果，通過在一臺車床上，選用直徑大小不同的鋁合金A6061工件，調整相應的轉速，使得兩種切削刀具，在車削工件時，能夠達到仿真所需的高速切削速度要求。車削過程中的切削厚度為0.4mm，進給量為0.25mm/r。車削現場如圖6所示，而車削過程中工件受到的切削力和溫度，分別通過大連理工測力儀和紅外熱像儀實時記錄的。

圖6 車削試驗圖

3.2 車削過程工件的切削溫度

試驗過程中，通過紅外熱像儀實時記錄兩種刀具，在八種不同切削速度下，鋁合金A6061時所產生的最高溫度，具體如圖5所示。

圖7 試驗時，兩種工件在切削過程中產生的切削溫度

通過圖2和圖6結果對比可以發現，仿真試驗和實際車削試驗中，兩種刀具在不同切削速度下，工件的切削溫度曲線變化情況大致相似，都是隨著溫度的升高而增加，而后逐漸穩定。不過，仿真的溫度結果在相同的切削速度下，相對于實際車削試驗要高出8%～10%左右，屬于合理偏差范圍。但在車削試驗中，硬質合金刀具切削的工件，在相同切削速度下，所產生的最高溫度相比于金剛石刀具數值更大，這與仿真試驗所得到的結論一致。

3.3 車削過程工件的切削力

在八種不同切削速度下，車削鋁合金A6061時，利用大連理工測力儀所記錄的工件切削力變化曲線，具體如圖5所示。

圖8 試驗時，兩種工件在切削過程中產生的切削力

從圖5和圖7對比可以看出，兩種刀具所對應工件的切削力，變化規律相同，隨著切削速度增加，切削力會先增大，然后慢慢減少，直至穩定，只不過，仿真切削力曲線相對于車削試驗，其整體變化速率更加平緩，而且，在每個切削速度對應的切削力數值，仿真結果都會比車削結果偏大10%～12%左右，這說明了仿真試驗在切削溫度和切削力方面還有一定優化空間。同時，在車削試驗中，在相同切削速度下，硬質合金刀具切削的工件，其對應的切削力數值都會大于金剛石刀具切削的工件，驗證了仿真結論。

4 結論

本文利用金剛石刀具和硬質合金刀具通過仿真和實際車削兩種試驗方法，進行鋁合金A6061的高速切削研究，從兩種試驗對比可以發現，在高速切削鋁合金A6061時，切削溫度會隨著切削速度的增加而升高，而后慢慢穩定，切削力則會先升高后下降，也最后穩定，這就意味著在切削時，可以通過選取合適的切削速度，使切削溫度和切削力的數值處于最優位置，讓實際的加工效率和經濟效益同時得到提高。

通過仿真和車削試驗結果的對比分析，在相同切削速度下，在進行鋁合金A6061的高速切削時，金剛石刀具所對應的工件的切削力和切削溫度數值，會小于硬質合金刀具所對應的工件。這就意味利用金剛石刀具進行鋁合金A6061高速加工時，將會得到更好的表面粗糙度和尺寸精度，同時對刀具的磨損也會更低。