鋁合金ZL109加工中切削溫度有限元分析

余娜

摘 要：鋁合金ZL109作為活塞常用材料，切削溫度對其性能有重要影響。本文通過Deform-3D有限元軟件模擬了鋁合金ZL109的切削加工過程，研究了不同加工參數對鋁合金ZL109切削溫度的影響，為鋁合金ZL109實際加工過程中切削溫度的預測提供了理論依據。

關鍵詞：鋁合金ZL109;切削加工;有限元;切削溫度

中圖分類號：TG51 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0029-02

Finite Element Analysis of Cutting Temperature in Aluminum

Alloy ZL109 Machining

YU Na

（Yangling Vocational & Technical College，Xianyang Shaanxi 712100）

Abstract： As a common used piston material， the cutting temperature of aluminium alloy ZL109 has an important influence on its performance. In this paper， the cutting process of aluminum alloy ZL109 was simulated by Deform-3D finite element software. The influence of different cutting parameters on the cutting temperature of aluminum alloy ZL109 was studied， which provided a theoretical basis for the prediction of cutting temperature during the actual machining process of aluminum alloy ZL109.

Keywords： aluminum alloy ZL109;machining;the finite element method;cutting temperature

切削溫度是影響材料加工質量及加工精度的重要因素。近年來，許多學者都對切削溫度進行了研究[1，2]。本文通過Deform-3D有限元軟件模擬了鋁合金ZL109的切削加工過程，研究了不同加工參數對鋁合金ZL109切削溫度的影響。

1 鋁合金ZL109切削有限元仿真模型的建立

建立有限元仿真模型時，考慮材料的應力應變關系，采用的應力應變本構方程為[3]：

[σ=Deε]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[σ]為應力;[De]為彈性矩陣;[ε]為應變。

由于J-C模型[3]能更接近材料加工過程中的熱變形行為，故將J-C模型引入有限元模型中，J-C材料屈服應力表達式如下[4]：

[σ=A+Bεn1+Clnεε01-Tm]? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[σ]表示應變率不為零時的屈服應力值;[ε]表示為等效塑性應變;[ε]表示等效塑性應變率;[ε0]表示參考應變率;[Tm]表示材料的熔點;A、B、C表示在溫度未超過轉變溫度時測得的材料參數值。

考慮上述因素后，在Deform-3D軟件中建立鋁合金ZL109切削有限元模型，并進行模擬切削，模型中的進給量為f，背吃刀量[ap]，切削速度為v，建立模型如圖1所示。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼image17.png>

圖1 鋁合金ZL109切削有限元模型

2 切削溫度仿真結果分析

對有限元切削模擬過程中的切削溫度進行結果分析，可得鋁合金ZL109加工過程中內部溫度分布，如圖2和圖3所示。圖2（a）和圖2（b）為f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=100m/min時鋁合金ZL109內部溫度的二維圖和三維圖。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼]Y00304UX8A0]～LRM$QI4[L.png>[0? ? ? ? ? ? ? 0.5? ? ? ? ? ? ? ? 1? ? ? ? ? ? ? ? 1.5? ? ? ? ? ? ? ?2][切削速度方向x（mm）][2

1.5

1

0.5

0][深度方向z（mm）]

（a） 溫度分布的二維圖

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼2H1MB0OTWCQK9HAN2IERX_H.png>[深度方向z（mm）][x方向（mm）][溫度T（°C）][150][100][50][2][1.5][1][0.5][0][0][0.5][1][1.5][2]

（b） 溫度分布三維圖

圖2 鋁合金ZL109內部溫度分布

（f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=100m/min）

從圖2可以看出，在加工鋁合金ZL109的過程中，靠近鋁合金ZL109表面的溫度較其內部溫度有大幅度增加，因此，在加工過程中，溫度較高的區域在靠近工件表層附近。

圖3（a）為f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=300m/min時鋁合金ZL109內部溫度二維圖，圖3（b）為相應加工情況下鋁合金ZL109內部溫度三維圖。

對比圖2和圖3可以看出，在加工鋁合金ZL109的過程中，保持f和[ap]不變，v增大，對應的切削溫度也會升高，且溫度最高的區域在刀尖處。這主要是因為v增大會引起剪切應力的增大，從而導致溫度升高。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼72TJWWUOHO2M8（G（）LNM～X5.png>[切削速度方向x（mm）][深度方向z（mm）][2

1.5

1

0.5

0][0? ? ? ? ? ? ? ? 0.5? ? ? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ? ? ? ?1.5? ? ? ? ? ? ? ? 2]

（a） 溫度分布二維圖

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼4WPBD[GXHLJ5{E0A@5SPN]9.png>[深度方向z（mm）

][x方向（mm）

][溫度T（°C）][300][200][100][0][2][1][0][0][0.5][1][1.5][2]

（a） 溫度分布三維圖

圖3 鋁合金ZL109內部溫度分布

（f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=300m/min）

3 結論

本文對鋁合金ZL109建立了其加工過程，研究了加工過程中溫度隨切削參數的變化情況，對鋁合金ZL109實際加工中切削溫度的預測提供理論依據。

參考文獻：

[1]于國紅，楚功，陳惠賢，等.基于Deform-3D的轉子輪槽加工切削力仿真研究[J].新技術新工藝，2014（7）：83-86.

[2]陶開榮，周成，李海濱.銑削新型TC21鈦合金多目標參數優化[J].航空制造技術，2014（8）：86-89.

[3]陳日曜.金屬切削原理[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]胡瑞飛，殷鳴，劉雁，等.切削穩定性約束下的銑削參數優化技術研究[J].機械工程學報，2017（5）：190-198.