7075鋁合金切削有限元分析

翟大娜

（河南焦作技師學院，河南 焦作 454000）

0 引言

20世紀中期，人們在合金冶煉時添加Cr、Mn、Ti等微量元素使金屬材料的抗應力腐蝕性能提高，此類超高強變形鋁合金材料有高比強度和硬度、高斷裂韌性等特點，在航空、航天及軍工領域使用廣泛。7075超硬鋁合金是超高變形鋁合金的典型代表，其比強度高，強度值可達500～700 MPa，材料的比模量、斷裂韌性高，成形工藝性好。由于7075鋁合金應用范圍的增加，研究其車削加工工藝具有重要實際意義。有限元仿真能對切削過程進行可靠的模擬仿真，切削機理深入研究能對實際生產產生指導作用。隨著有限元技術的飛速發展，國內許多學者展開了大量的有限元分析研究。文獻[1]進行了A357鋁合金的切削試驗并利用有限元軟件進行仿真，得出切削速度為563 m/min且切削深度為0.1 mm時切削力最小，用三向測力儀在普通車床進行試驗，試驗結果和仿真結果基本一致。文獻[2]對鈦合金進行切削有限元仿真，得到殘余應力和溫度的分布，為鈦合金切削參數優化提供一種方法。文獻[3]通過對45鋼進行有限元仿真，得到了進給量、切削深度和切削速度對切削力的影響規律。文獻[4]通過銑削鋁合金有限元仿真，驗證有限元仿真能夠提高刀具的耐用度。以上研究并未對切削使用刀具的幾何角度進行深入討論，實際的切削加工中，刀具的幾何角度對切削參數有著一定的影響, 本文重點研究了不同刀具角度及切削參數對切削力和溫度的影響。

1 二維車削模型的建立

1.1 材料的本構模型

本模型斷裂準則采用Johnson-Cook斷裂準則，因其成功案例多且應用最為廣泛。材料本構模型為

式中：σ為等效應力；A、B、n為材料應變強化項系數，其可以參考應變率在給定的溫度下通過拉伸試驗獲得；C為應變率敏感系數；m為材料溫度軟化系數；T為當前溫度；Tr為參考溫度；Tm為材料熔點；ε為等效應變；ε˙0為參考應變率。

1.2 失效模型

1.3 工件和刀具的參數

工件材料為7075鋁合金，通過生產廠家提供參數：材料密度為2810 kg/m3；泊松比為0.33；彈性模量為71 GPa；熱傳導系數λ為173 W/（m·℃）；比熱容c為960 J/（kg·℃）；熔點為475 ℃；膨脹系數為2.36×10-4℃-1。材料本構參數如表1所示[5]。

表1 材料的本構參數

刀具為硬質合金，密度為14 580 kg/m3，彈性模量為696 GPa，泊松比為0.25。刀具和工件的模型均在有限元仿真中建立，并賦予相應的材料參數。

1.4 模型建立及網格劃分

本文建立的切削加工耦合模型中假定硬質合金刀具為剛體，切削層厚度遠遠小于寬度，模型按平面應變來模擬。刀具后角不變（采用5°），切削時刀具鋒利，不考慮刀具磨損，模型不考慮因產生切削熱而引起的相變。建立的平面車削加工模型如圖1所示。

圖1 二維車削加工模型的建立

網格劃分過程刀具采用quaddominated，技術選項卡采用free 劃分；為了使切削進行順暢，工件網格中采用ALE方法，工件劃分采用quad劃分，技術選項卡中旋轉structured劃分，切削部分的網格劃分較密，選擇類型中點擊displacement-temp類型,單元類型選擇Explicit。

2 刀具角度和仿真切削參數

刀具幾何角度對切削力的影響不容忽視，特別是前角的作用，前角越大，刀具越鋒利，但前角過大，刀具的剛度會降低，進一步會影響到切削加工。綜合考慮切削正常進行刀具前角最大取15°。此外，切削速度也影響到切削加工效率，合適的切削參數不僅提高零件的表面質量，還能影響刀具的耐用度，因此設置了不同的切削速度進行優化。表2為切削條件表，表中設置了相應的切削刀具角度及切削速度值。

表2 切削條件

3 結果與討論

3.1 前角對切削力的影響

圖2為前角為0°、切削速度為3000 mm/s時的切削力趨勢圖，可以直觀看出Fx和Fy最大值約為13.5 N和6.1 N。表3為不同前角的切削力變化趨勢，從表中可以看出，隨著前角的不斷增大，切削力在逐漸降低，這主要是因為前角越大，車刀越鋒利，一方面減小了硬鋁的變形程度，降低了切削功率。隨著前角的不斷增大，車刀的剛度也會逐漸下降，而仿真模型假設刀具為剛體且7075材料硬度較高，所以車刀前角取10°較為合適。

表3 不同前角仿真切削力

圖2 前角為0、切削速度3000 mm/s切削力曲線圖

3.2 切削速度對切削力的影響

當前角為10°、切深為0.1 mm時，切削速度對切削力的影響如表4 所示。從表4中可以看出，當切削速度為3000 mm/s時，切削力較小，主切削力僅為11.1 N，當切削速度較高時，由于切削溫度上升，摩擦因數減小，切削力開始降低。從表4可知，在一定的切削速度范圍內，隨著切削速度的增加，切削力逐漸降低。

表4 切削速度對切削力的影響

4 結語

本文基于Johnson-Cook斷裂準則建立了材料斷裂失效模型，通過廠家提供參數建立了材料的本構模型參數。在理論分析的基礎上對刀具和7075材料進行有限元切削仿真，仿真結果發現刀具前角增大后切削力降低，切削速度增大后切削力降低。

主要得到以下幾點結論：1）對7075鋁合金材料的有限元仿真結果進行車削加工試驗，刀具角度增大后切削力降低，但刀具壽命明顯降低，15°前角刀具壽命為7.6 h，0°前角刀具壽命為11 h。切削力隨著前角的增大而降低，考慮到車刀的剛度，車刀角度優化為10°。2）當切削速度較大時，切削力并不是隨著切削速度的增加而增加，v=3000 mm/s時，Fx=9.8 N，此時切削力最小。

基于以上結論，在車削加工7075硬鋁合金時，為使切削力達到最小，應選擇10°的車刀前角，車削速度應為3000 m/s，此時切削力最小且刀具具有一定的耐用度。

模型沒有考慮刀具材料及強度，仿真時把刀具視為剛體，但是在高硬度機械加工過程中刀具會有較大的磨損，限制車削加工的正常進行，影響生產效率。切削速度范圍設定是根據機床最優轉速設計，更大范圍切削速度是否會因切削溫度升高而影響切削力需進一步驗證。