7050-T7451鋁合金直角切削仿真研究*

陳衛林 楊 東 吳 敏 馬浩騫

1.國營蕪湖機械廠 安徽蕪湖 241007 2.安徽天航機電有限公司 安徽蕪湖 241060 3.安徽大學 電氣工程與自動化學院 合肥 230601

1 研究背景

航空航天和國防工業等領域中,使用鋁合金不僅能夠滿足重要構件輕量化的設計需求,而且可以保證零件具有高可靠性和長壽命的服役性能[1]。鋁合金切削加工表面質量的優化與控制是保障零件功能和使用壽命的關鍵。當然,鋁合金材料因自身的物理和力學性能,在加工過程中容易導致刀具讓刀、變形、振動等問題,切削加工精度,特別是形位精度很難保證[2]。對鋁合金切削加工進行研究,分析切削工藝參數對切削力、切削熱的影響規律,對實現鋁合金材料的高效、高質量切削具有重要理論和實踐意義。

采用有限元方法對切削過程進行數值仿真,是解決零件加工工藝問題和保證零件加工精度的有效手段[3-4]。筆者基于ABAQUS有限元軟件,對7050-T7451鋁合金切削過程進行仿真,采用正交試驗設計方法和極差分析方法,研究刀具前角、切削深度、切削速度對切削力和切削溫度的影響規律,為鋁合金切削工藝參數的優選和生產過程的控制提供技術參考。

2 切削仿真模型

2.1 幾何模型

切削加工中,切削寬度與進給量相比較大時,材料去除過程可簡化為平面應變問題。切削幾何模型如圖1所示。切削幾何模型中,工件預定義為切屑層、連接層、材料基體三部分。除刀具后角ξ取值為常數外,刀具前角γ、切屑層厚度均為變量。平面應變問題中,切屑層厚度與實際切削過程中的進給量數值一致。

▲圖1 切削幾何模型

2.2 初始條件

根據工件在機床工作臺上的實際裝夾情況,約束切削幾何模型中材料基體底部邊線的自由度。假定刀具為解析剛體,保留其沿水平方向運動的自由度,速度即為切削速度。初始溫度設置為室溫20 ℃,接觸副定義為切屑層右側、頂部與刀具。切屑層、刀具之間的摩擦符合庫侖摩擦定律,摩擦因數為0.5[5]。連接層失效準則為剪切失效。

2.3 控制方程

在給定的初始條件和邊界條件情況下,切削仿真過程是對包含變形分析方程和熱分析方程的控制方程求解的過程[6]。應力平衡方程為:

(1)

金屬切削過程是一個高溫、高壓、高應變和高應變率的強耦合非線性動態過程,因此,選用Johnson-Cook本構方程表征鋁合金在高應變率加載條件下的應力與應變關系。

Johnson-Cook本構模型將影響流動應力的應變硬化效應、應變率效應、溫度效應用連乘的形式聯系在一起,進而綜合反映變形熱力參數之間的數量關系,表達式為:

(2)

流動法則為:

(3)

屈服準則為:

(4)

熱分析方程為:

(5)

式中:K為導熱系數;dqgen/dt為產熱率;ρ為密度;c為比熱容;t為時間。

2.4 材料參數

7050-T7451鋁合金的Johnson-Cook模型參數見表1[7],7050-T7451鋁合金的理化參數見表2[8],刀具材料YG8的理化參數見表3[9]。

表1 7050-T7451鋁合金Johnson-Cook模型參數

表2 7050-T7451鋁合金理化參數

表3 刀具材料理化參數

2.5 網格控制

有限元仿真的實質是將一個整體離散為多個單元進行研究,網格劃分是建立有限元仿真模型的重要環節,單元類型與數量對計算精度、計算規模均會產生直接影響。單元類型表現為單元的節點數量與分布,增加單元節點會使計算精度有所提高,但計算規模也會增大。工件是切削加工仿真的主要研究對象,網格單元類型選擇為CPE4RT,這種四節點線性位移溫度耦合平面應變單元能有效減小位移。

網格單元的節點以種子為基礎,撒種的數量決定網格的數量,撒種的類型決定網格的疏密,網格數量增加,密度增大,計算精度會有所提高,但同時計算規模也會增大。因為切削過程中的熱力載荷主要集中于表面層區域,所以切屑層部分網格劃分比材料基體部分網格劃分密集。

3 仿真有效性驗證

在VMC0540d銑削加工中心上進行7050-T7451鋁合金直角切削加工試驗,如圖2所示,銑削過程近似滿足直角切削條件。工件直徑為100 mm,厚度為2 mm。刀具采用TiN + AlTiN涂層,刀具前角為0°,后角為10°,切削方式為干切削。采用三向壓電式測力儀測試銑削力。試驗時切削速度為200 m/min,進給量為0.1 mm/Z。

▲圖2 7050-T7451鋁合金直角切削試驗

切削力仿真值與測試值對比如圖3所示。對于切削方向分力Fc和工件徑向分力Fp,測試值都明顯大于仿真值,主要原因是在切削有限元模型建立過程中對三維問題進行了平面應變假設,并對刀具與工件接觸模型等進行了簡化。實際切削時,切削變形區材料承受高溫、高壓、高應變、高應變率等非線性復雜載荷,導致材料的變形,以及刀、屑、工件間摩擦狀態很難準確表征[10]。由圖3可知,切削方向分力仿真結果誤差為7.42%,工件徑向分力仿真結果誤差為23.7%。

▲圖3 切削力仿真值與測試值對比

4 正交試驗設計

正交試驗設計是一種研究多因素多水平的試驗設計方法,對試驗因素做合理有效安排,可以最大限度減小誤差,達到高效、快速、經濟的目的。選取刀具前角、進給量、切削速度三個因素,設計三因素四水平正交試驗,試驗方案見表4。

表4 正交試驗方案

5 仿真結果

鋁合金切削加工過程中,切削變形區機械應力、切削溫度是影響加工變形的主要因素。切削變形區等效應力云圖、溫度云圖分別如圖4、圖5所示。

▲圖4 切削變形區等效應力云圖▲圖5 切削變形區溫度云圖

由于7050-T7451鋁合金在第一變形區發生壓剪塑性變形,并最終發生斷裂失效,因此第一變形區具有較大的應力水平和較高的溫度。刀具前刀面與切屑的擠壓摩擦作用使第二變形區內應力和溫度比第三變形區高。

切削變形區最大應力σmax、最高溫度Tmax、切削力切削方向分力Fc、切削力工件徑向分力Fp、切削合力Fs的仿真試驗結果見表5。

表5 切削仿真試驗結果

由表5可以看出,試驗1得到的應力最大,在小的刀具前角、慢的切削速度、小的進給量下得到最大應力為1 242 MPa。此外,試驗1切削溫度最低,值為201 ℃。試驗3得到的應力最小,為948 MPa。切削溫度最高值出現在試驗4,同時試驗4得到的切削分力、切削合力最大。切削分力、切削合力最小值出現在試驗13。

極差分析可以將復雜的多因素數據處理問題轉換為簡單的單因素數據處理問題,由極差能夠直觀地確定對試驗結果產生主要影響與次要影響的因素。極差越大,對應因子的水平變化對試驗結果影響越大。經過計算,得到切削變形區最大應力σmax、最高溫度Tmax、切削分力Fc和Fp、切削合力Fs的極差,見表6。

表6 切削仿真試驗結果極差分析

由極差分析可知:對切削變形區最大應力σmax和最高溫度Tmax影響最大的是切削速度,其次是進給量;對切削力切削方向分力Fc影響最大的是進給量,其次是刀具前角、切削速度;對切削力工件徑向分力Fp影響最大的是刀具前角,其次是切削深度、切削速度;隨著切削參數的變化,切削合力Fs具有與Fc相同的變化趨勢。σmax、Tmax、Fc、Fp、Fs與切削工藝參數之間的效應曲線依次如圖6至圖10所示。

▲圖6 σmax與切削工藝參數間效應曲線▲圖7 Tmax與切削工藝參數間效應曲線▲圖8 Fc與切削工藝參數間效應曲線▲圖9 Fp與切削工藝參數間效應曲線

▲圖10 Fs與切削工藝參數間效應曲線

由效應曲線可以看出,隨著刀具前角的增大,切削變形區最高溫度Tmax降低,切削分力Fc和切削合力Fs均減小,最大應力σmax未發生明顯變化,切削分力Fp隨著刀具前角增大先減小后反向增大。切削分力Fp反向增大可能導致切削刃處出現彎曲應力,造成崩刃,因此,在筆者研究范圍內,最佳刀具前角為15°。同時考慮增大前角會使楔角減小,切削刃強度降低,散熱體積減小,切削實踐中刀具前角應不大于15°。

隨著進給量的增大,待去除材料的塑性變形程度減小,切削變形區最大應力σmax減小。然而,由于單位時間內的材料去除體積增大,切削變形區最高溫度Tmax上升,切削分力Fc與切削合力Fs增大,切削分力Fp減小。切削過程中,切削變形區機械應力與溫度耦合作用,產生表面殘余應力。已有研究表明,機械應力增大有利于表面壓應力的產生,而溫度升高將導致殘余拉應力增大。因此,為了減小殘余應力對加工零部件形位精度的影響,宜選用小的進給量。通過效應曲線看出,當進給量大于0.1 mm/Z時,切削變形區應力和溫度變化幅度較小,因此可以選用較大的進給量,進而提高材料去除效率。

隨著切削速度的加快,切削變形區最大應力σmax、切削分力Fc和切削合力Fs減小,最高溫度Tmax上升。考慮高速切削過程中產生的切削熱量快速被切屑帶走,切削時宜選擇較快的切削速度。在筆者研究范圍內,優選切削速度為3.31 m/s。

6 結束語

筆者基于ABAQUS軟件對7050-T7451鋁合金直角切削過程進行仿真研究[11-12],設計正交試驗,采用極差分析方法,分析刀具前角、進給量、切削速度對工件切削力和切削溫度的影響規律。

(1) 應用所建立的有限元模型在預測切削力切削方向分力和工件徑向分力時,誤差分別為7.42%和23.7%。

(2) 隨刀具前角的增大,切削力減小,切削溫度降低。考慮到切削刃強度的影響,切削實踐中刀具前角應不大于15°。

(3) 精加工工序選用小進給量,可以減小殘余應力對加工零部件形位精度的影響。當進給量大于0.1 mm/Z時,切削變形區應力和溫度變化幅度較小,因此可以選用較大的進給量,進而提高材料去除效率。

(4) 切削時宜選擇較快的切削速度,仿真參數范圍內優選切削速度為3.31 m/s。