基于LS_DYNA鋁合金切削毛刺仿真分析

■ 中信戴卡股份有限公司 （河北秦皇島 066011） 蔡衛(wèi)民 劉鳴華 于志遠(yuǎn) 王亞軍

鋁合金輪轂是汽車的重要零部件，鋁車輪是汽車輕量化非常理想的選擇之一。在鋁車輪正面切削加工過(guò)程中，極易產(chǎn)生毛刺，去除毛刺耗費(fèi)大量的人力物力，影響加工效率，且毛刺去除不凈，邊角處易產(chǎn)生漆膜腐蝕，影響外觀質(zhì)量。因此有必要對(duì)毛刺產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析并探尋解決方案。

1.鋁合金切削有限元模型

（1）幾何模型：在L S_DYNA中建立鋁合金樣塊及刀具的切削模型，如圖1所示。其中鋁合金樣塊長(zhǎng)a=5mm、高b=2.5mm、寬c=2.5mm，終邊角度α=45°，刀具切削深度h=0.3mm。刀具前角為8°，后角為7°，刀具切削速度v=25m/s。

圖1 鋁合金切削模型

（2）材料模型：由于所用刀具為鉆石刀片，其硬度遠(yuǎn)大于鋁合金，所以刀具采用剛體模型020-rigid，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 刀具材料參數(shù)

由于切削過(guò)程金屬一般要發(fā)生大應(yīng)變和高溫升，發(fā)生彈塑性流動(dòng)，所以本文鋁合金樣塊采用015-Johnson cook模型，該材料模型是一個(gè)能反映應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫升軟化效應(yīng)的理想剛塑性強(qiáng)化模型，其應(yīng)力表達(dá)式如下：

σ=[A+B（εpl）n][1+Cln（εpl/ε0）]（1－Tm）

式中，σ為等效應(yīng)力；A、B分別為材料的初始屈服應(yīng)力和應(yīng)變硬化常數(shù)；C、n、m分別為材料特征因數(shù)、加工硬化指數(shù)、熱軟化因數(shù)；εpl為等效塑性應(yīng)變；ε0為等效塑性應(yīng)變率；T為溫度。

鋁合金材料參數(shù)如表2所示。

表2 鋁合金材料參數(shù)

（3）邊界條件：為模擬真實(shí)切削過(guò)程，對(duì)鋁合金樣塊底部進(jìn)行全約束，限制其所有自由度。利用剛體邊界條件，設(shè)置刀具沿切削方向的速度為25m/s，持續(xù)時(shí)間為0.3ms。

（4）摩擦接觸模型：侵蝕接觸用于當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)表面的單元在接觸時(shí)發(fā)生材料失效，接觸依舊在剩余的單元進(jìn)行的情況。在切削過(guò)程中，鋁合金被切削部分單元失效，產(chǎn)生切屑被移除，刀具與鋁合金樣塊之間設(shè)置節(jié)點(diǎn)對(duì)面的侵蝕接觸，刀具與切屑之間設(shè)置單面的侵蝕接觸。

（5）熱力耦合模型：本文采用熱力耦合分析模型，考慮切削過(guò)程刀具、鋁合金樣塊及切屑之間的熱量產(chǎn)生及熱量傳導(dǎo)，保證能量的穩(wěn)定性。

2.鋁合金切削毛刺形成過(guò)程分析

在刀具切削過(guò)程中，刀具前刀面對(duì)切削層金屬產(chǎn)生擠壓和摩擦作用，當(dāng)產(chǎn)生的切應(yīng)力達(dá)到鋁合金材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬材料發(fā)生剪切滑移，并沿前刀面逐漸流出，形成切屑。由圖2可以看出，仿真產(chǎn)生的切屑呈連綿不斷的帶狀，稱之為帶狀切屑，這與鋁合金的材料性質(zhì)和實(shí)際加工狀況一致。切削層從開(kāi)始變形到形成切屑有一個(gè)過(guò)渡平面，稱之為剪切面，剪切面與切削速度方向的夾角為剪切角。

終邊角度為65°時(shí)，毛刺形成過(guò)程如圖2所示，在刀具切入鋁合金樣塊的過(guò)程中，毛刺極其微小，與現(xiàn)場(chǎng)加工狀態(tài)相符，對(duì)于鋁車輪表面質(zhì)量沒(méi)有顯著影響，故可以忽略不計(jì)。當(dāng)?shù)毒吲R近樣塊終端時(shí)，由于終端沒(méi)有約束作用，樣塊塑性變形逐漸增大，切削層沿滑移線開(kāi)始滑移，如圖2a所示。

隨著刀具繼續(xù)切削，切削層沿滑移線繼續(xù)滑移，剪切角逐漸變小，且切削層繞樣塊終端某支點(diǎn)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，如圖2b所示。隨著刀具繼續(xù)切削，切削層繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，且切削層與刀具接觸部位開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，發(fā)生斷裂，如圖2c所示。

圖2 毛刺形成過(guò)程（終邊角度65°）

隨著刀具繼續(xù)切削，裂紋逐漸擴(kuò)展，直至切削層與鋁合金樣塊完全分離，同時(shí)在樣塊終端形成毛刺，且由于滑移線與樣塊終端斜面存在差異，所以毛刺存在一定程度的尖角。毛刺的大小主要采用毛刺高度和毛刺根部厚度進(jìn)行評(píng)價(jià)，該毛刺存在尖點(diǎn)，且毛刺根部厚度較大，對(duì)漆膜覆蓋產(chǎn)生影響，需人工去除。

影響毛刺形成和大小的因素主要有：工件材料和工件結(jié)構(gòu)、切削用量、刀具參數(shù)、加工方式等，其中鋁合金車輪加工采用車削方式，刀具參數(shù)和切削用量已根據(jù)鋁車輪質(zhì)量要求調(diào)整至較優(yōu)，所以本文主要通過(guò)改變工件結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證終邊角度和出刀圓弧對(duì)于毛刺產(chǎn)生和大小的影響規(guī)律。

3.終邊角度對(duì)于毛刺尺寸的影響

終邊角度分別選取25°、45°、65°、90°，不同終邊角度下的毛刺形態(tài)如圖3所示，不同終邊角度下的毛刺大小如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，不同終邊角度下，毛刺形態(tài)及大小均存在明顯差異，隨著終邊角度的增大，毛刺高度和毛刺根部厚度均逐漸增大，且增大不存在相應(yīng)的線性關(guān)系。

當(dāng)終邊角度為25°時(shí)，出刀側(cè)毛刺形態(tài)較平緩，毛刺的高度和根部厚度分別為0.04mm和0.23mm，毛刺較小且毛刺不存在突起尖角，基本不會(huì)對(duì)漆膜覆蓋及外觀狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響。

當(dāng)終邊角度為45°時(shí)，出刀側(cè)毛刺存在向上翹起的尖角，毛刺的高度和根部厚度分別為0.1mm和0.27mm，影響漆膜覆蓋，但毛刺尺寸較小，去除難度不大。

圖3 不同終邊角度下的毛刺形態(tài)

圖4 不同終邊角度下的毛刺大小

當(dāng)終邊角度為65°時(shí)，出刀側(cè)存在較為明顯的擠壓變形，毛刺基本呈三角形狀態(tài)，毛刺最高點(diǎn)與出刀點(diǎn)存在一定距離，毛刺的高度和根部厚度分別為0.19mm和0.59mm，對(duì)漆膜覆蓋產(chǎn)生明顯影響，且由于毛刺根部尺寸較大，毛刺去除較難。

當(dāng)終邊角度為85°時(shí)，毛刺與切屑粘連在一起，并未完全分離，毛刺的高度和根部厚度分別為1.95mm和0.8mm，由于該毛刺根部很大，用普通毛刺刀去除不便，且對(duì)毛刺刀壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)盡量避免該種造型。

4.結(jié)語(yǔ)

本文建立了鋁合金切削毛刺的有限元模型，對(duì)毛刺產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并探尋出刀處終邊角度對(duì)于毛刺大小的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，終邊角度會(huì)對(duì)毛刺的形態(tài)及大小產(chǎn)生重要影響，因此在造型的設(shè)計(jì)階段應(yīng)重點(diǎn)考慮造型對(duì)毛刺的影響，在可能的情況下對(duì)產(chǎn)品出刀側(cè)進(jìn)行倒角，且倒角≤45°為宜。