鋁合金A357車削加工工件表面溫度場研究

吳勇文，盛波，王伏林，胡仲勛，徐舟 ，朱朝霞

(1. 湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082；2. 中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002)

0 引言

鋁合金A357具有強度高、耐熱、耐腐蝕等優良性能，被廣泛應用于航空發動機制造領域。切削加工中產生的切削熱對工件已加工表面質量、加工精度以及刀具壽命有著非常重要的影響[1]。隨著切削熱量的不斷產生，工件受熱膨脹產生尺寸誤差，將嚴重影響工件的加工精度。因此，開展鋁合金加工中工件表面溫度的研究，對于控制工件的尺寸精度、提高工件已加工表面質量有著重要的意義。

目前國內外學者對工件表面溫度的研究，主要從數值仿真、有限元分析和實驗三個方面進行。張金峰等[2]采用數值模擬方法，研究了微銑刀磨損對工件溫度的影響。李澤陽等[3]基于移動熱源法建立了工件焊接加工過程中的溫度分析模型。楊洋等[4]針對AISI 1045工件建立了切削溫度仿真模型。由于切削溫度場邊界條件復雜，單一的數值仿真和有限元分析無法保證溫度模型的準確性，還需進行實驗驗證。CHEN L等[5]通過熱電偶對硬車削淬硬鋼的加工表面溫度進行實驗測量，但其設計的嵌入式熱電偶測溫裝置難以保證車削加工過程中熱電偶尖端的準確位置，從而影響已加工表面溫度預測的正確性。

現有研究中，針對鋁合金工件已加工表面溫度的研究較少。因此，有必要對該材料在切削過程中的工件溫度場分布規律進行研究。本文針對鋁合金A357材料，擬利用ABAQUS軟件建立切削仿真模型，模擬工件表面溫度，并通過實驗進行驗證。

1 切削仿真模型的建立

刀具和工件材料對切削仿真結果有著重要的影響。本研究中工件材料為鋁合金A357，選擇的刀具材料為YG8硬質合金，其材料參數如表1所示[6]。

表1 工件及刀具材料參數

1.1 材料模型

本文采用Johnson-Cook本構模型，其表達式如下[7]：

(1)

表2 鋁合金A357材料的J-C本構參數

鋁合金A357材料的力學性能如表3所示[8]。

表3 鋁合金A357的力學性能

1.2 切削參數及模型

切削仿真的工件長度5mm，高度3mm。刀具刀尖圓弧半徑為 0.06mm，刀具前角和后角分別為10°和 3°，采用干式切削。圖1為鋁合金 A357正交切削二維仿真模型。在仿真模型參數設置中，刀具與工件接觸部分網格局部細化，同時，刀具設置為剛性體。

圖1 鋁合金 A357正交切削模型

為研究切削參數對工件表面溫度的影響，設定三組切削實驗，切削參數如表 4 所示。根據實際的切削環境，初始時刻工件和刀具溫度為 20℃。工件表面溫度在后處理模塊中進行分析。

表4 車削參數設置

2 仿真結果分析

改變切削速度和切深，研究不同工況下工件加工表面溫度分布情況。在同一組切削參數下，受切削熱源的影響，初始切削時，工件表面溫度會升高。隨著切削熱產生和散失達到平衡，工件表面溫度趨于穩定。此時，仿真過程每一幀的仿真云圖中工件溫度分布區域大致相同，工件表面的最高溫度值也近似相等。圖2為不同切削參數條件下工件表面溫度的仿真云圖。

圖2 不同工況下工件表面溫度變化(隱藏刀具)

由圖2可知，工件表面溫度最大值隨著切削速度和切深的增大而升高。對比圖2(a)和圖2(b)，保持切深ap= 0.3mm不變，切削速度從180mm/min增大至360mm/min時，工件表面最高溫度從 50.2℃升高至 66.2℃，溫升值為 16℃。切削速度的提高加劇了切屑和刀具前刀面之間的摩擦，產熱增加，導致工件表面溫度升高。對比圖2(a)和圖2(c)，在切削速度不變的情況下，切深從 0.3mm增大至 0.6mm時，工件表面最高溫度由50.2℃升高至55.5℃，溫度提高 5.3℃。此時溫升主要原因是由于較大的切深增大了工件的剪切變形程度，從而導致產生的熱量增加，使得工件已加工表面溫度升高。同時，切屑與刀具表面的接觸長度增加，改善了散熱條件。因此，工件表面溫升值較低。同時對比圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)可知，切削速度和切深分別增大1倍時，工件表層的溫度分布云圖區域將變大，即工件受切削熱的影響區增大，其中切削速度增加1倍對工件表面層溫升作用更加明顯，進而對工件尺寸超差產生較大的影響。

3 實驗驗證

3.1 測溫方案設計

為驗證切削仿真結果，開展鋁合金A357正交切削實驗。本研究中所使用的試驗設備為CM6140 普通臥式車床；工件材料為直徑23mm、長度170mm的A357鋁合金棒料；車削刀具為YG8切槽刀；熱電偶測溫系統主要包括K型熱電偶、導電滑環、信號轉換器和溫度數據采集器，如圖3所示。切削加工中所采用加工參數與切削仿真參數相同。

圖3 熱電偶測溫系統

采用工件切槽測溫法實現工件表面溫度測量。測溫樣件的結構如圖4所示。圖4 中的鋁棒為經過線切割設備切割后的其中一部分。鋁棒上有3個螺紋孔，切割后的兩部分鋁棒通過3個螺栓連接，進行后續車削測溫實驗。鋁棒一端有直徑φ5mm、長度15mm的中心孔，用于K型熱電偶絲1、電偶絲2的安裝。在車削實驗過程中，兩處熱電偶測溫點沿工件中心軸線對稱布置。用絕緣膠布將熱電偶測溫點與工件表面相隔開，在不影響傳熱的同時，實現熱電偶測溫點絕緣，從而提高溫度測量精度。為便于熱電偶絲的安裝，在工件上設計了一寬度與深度均為0.5mm的凹槽。在貼置熱電偶的測溫點時，盡可能讓測溫點距離切削表面的深度與切深ap相等，從而保證熱電偶測溫點在切削過程中測得的溫度為工件表面溫度。

圖4 測溫樣件結構

圖5為測溫樣件裝配示意圖。在加工過程中，當切深改變時，拆下連接螺母，重新調試熱電偶測溫點的位置，保證熱電偶溫度測量的準確性。

圖5 測溫樣件示意圖

實驗中測得環境溫度為20.6℃。在進行每組車削實驗之前，讓工件溫度降至室溫，以提高測量結果的準確性。圖6為正交切削實驗平臺測量示意圖，圖7為正交車削工件表面測溫裝置。

圖6 正交切削實驗平臺

圖7 鋁合金A357工件表面測溫裝置

3.2 實驗驗證

為提高實驗結果準確性，對兩個測溫點同時測量所得的溫度數據先進行去噪后取平均值處理。圖8為不同切削參數下熱電偶測溫點所測工件表面溫度的變化趨勢。

圖8 不同工況下的鋁合金A357工件表面溫度分布

由圖8可知，隨著切削過程的進行，切削熱源不斷靠近測溫點，所測溫度不斷上升。當切削熱源逐漸遠離測溫點時，所測溫度下降。對比溫度上升和溫度下降的斜率可知，測量點的溫升速率大于溫降速率。這是由于切削熱源的溫度較高，當切削熱源逐漸靠近測溫點時，測溫點的溫升趨勢較快；實驗中采用干切削方式，當切削熱源遠離時，工件主要與外界環境發生熱交換，因此溫降趨勢較為緩慢。

根據車削實驗可知，增大切削速度或切深，測溫點測得的溫度均升高。該現象與仿真所得結論一致。對比不同切削參數下，仿真分析和車削實驗所得的工件表面最高溫度如表5所示。

表5 不同條件下工件表面最高溫度對比

由表5可知，仿真所得的工件表面最高溫度值比實驗結果都要高。當V為360mm/min，ap為0.3mm，f為0.15mm/r時，所測工件加工表面最高溫度可達到57℃，該溫度與仿真所得溫度66.2℃接近。由于實際切削過程中，工件快速旋轉等因素引起的風冷作用，改善了工件表面的散熱條件。因此，實驗所測得工件表面最高溫度普遍偏低。實驗與仿真結果的相對誤差均<17%，仿真模型具有一定的可靠性。

4 結語

1)建立了鋁合金A357切削仿真模型，得到了不同切削參數下工件表面溫度分布情況。根據仿真結果可知，增大切削速度和切深，工件加工表面的最高溫度均升高，同時工件受切削熱影響的區域增大，進而對工件尺寸超差產生較大的影響。

2)設計制作了一種用于鋁合金A357表面溫度測量的測溫樣件。通過車削實驗驗證了所建立工件溫度場的可靠性。該研究對實際生產中切削參數的合理選取、加工工件尺寸測量的時間評估和冷卻條件的改善具有一定參考意義。