鋁合金銑削加工三維斜角有限元模擬探索

康晉輝

(駐馬店技師學院,河南 駐馬店 463023)

0 引言

7050-T7451鋁合金屬于高強度可熱處理合金,具有良好的抗剝落與抗應力腐蝕疲勞特性,強度高,斷裂韌性好,在航空航天和汽車工業等領域得到廣泛應用。表1列出了7050-T7451鋁合金材料的化學成分。

表1 7050-T7451鋁合金名義化學成分 單位:wt%

為了對高速切削加工切削力、切削溫度預測,有限元法可以將金屬切削過程通過幾何建模、材料屬性賦予、設置接觸與邊界條件、網格劃分等過程進行復現,降低生產成本,提高研究效率,是現實生產中的常用方法。目前,切削有限元建模方法主要包括:二維正交切削和三維切削2種有限元模型,采用二維正交切削有限元模型其實是對金屬切削過程進行有效簡化,但無法直觀描述切削溫度場及應力場等變量的空間分布,對切屑形態的預測也僅限于平面范疇。此外,在實際工程應用中,由于刀具結構及加工方式的不同,正交切削狀態較少。因此,本文針對7050-T7451鋁合金切削過程進行三維斜角切削有限元模擬,更加真實地模擬金屬切削過程,研究結果為鋁合金高速銑削加工切削力、切削溫度預測提供可靠的有限元建模方法,也能為切削參數優化提供指導意義。

1 金屬切削有限元模擬關鍵技術

1.1 材料本構模型

材料本構模型是對材料切削過程中流動應力行為的描述,J-C材料本構模型由材料的應變硬化、應變率強化和熱軟化效應三部分組成,本文使用與金屬切削有限元模擬J-C模型的表達式為[1]

(1)

7050-T7451鋁合金屬于高強度鋁合金,具有質量輕、強度高等良好的機械性能。表2給出了7050-T7451鋁合金J-C材料本構模型的主要參數[2-3]。

1.2 有限元切削模擬鋁合金熱力學參數設置

金屬切削加工是一個典型的熱力耦合過程,在有限元分析過程中必須同時進行力學分析和熱分析。在切削有限元模型中,熱力耦合作用由材料本構模型進行描述。為了描述切削溫度對材料力學性能的影響,本文采用的7050-T7451鋁合金熱力學參數列于表3、表4、表5中。刀具設定為剛體,不產生任何變形,刀具內不存在熱源。

表2 7050-T7451鋁合金J-C本構模型參數

表3 7050-T7451鋁合金熱導率

表4 7050-T7451鋁合金線膨脹系數

表5 7050-T7451鋁合金比熱容

1.3 切屑分離準則

本文選擇Ductile Damage 模型為7050-T7451鋁合金高速銑削有限元模擬的斷裂準則。此次三維切削加工有限元模擬設定7050-T7451鋁合金失效位移為5×10-5。

2 7050-T7451鋁合金切削加工三維斜角切削有限元模擬

2.1 三維斜角切削有限元建模

建立三維斜角切削幾何模型,工件模型尺寸(長×寬×高)為3 mm×0.5 mm×0.5 mm,未變形切屑層、分離層及基體的厚度分別為0.10,0.05,0.35 mm。刀具尺寸為1.5 mm×2.5 mm,刀具前角為10°,后角為 5°。在模型幾何裝配模塊,設定切削刃斜角為10°,如圖1所示。

圖1 三維斜角切削裝配模型

2.2 材料屬性賦予

ABAQUS為用戶提供了各種材料性能模型,在金屬切削模擬中涉及復雜的熱力耦合及高度非線性問題,需要定義的材料性能包括熱導率、密度、彈性模量、泊松比、線膨脹系數、塑性參數、比熱容等,7050-T7451鋁合金熱導率、線膨脹系數、比熱容及J-C材料本構模型的具體數值已知,表6列出了7050-T7451鋁合金和刀具的其他性能參數。

表6 7050-T7451鋁合金及刀具材料物理屬性

圖2展示了本模型中工件分離層材料參數的設置。此外,值得注意的是ABAQUS軟件中材料屬性不能直接賦予幾何模型,需要通過定義截面屬性再傳遞給幾何模型。

圖2 工件分離層材料參數設置

2.3 接觸和邊界條件設置

本文采用經典庫倫摩擦模型來描述切削加工中的刀具與工件之間的摩擦行為,選取摩擦系數為0.3。采用面-面接觸方式定義刀具-工件之間的接觸屬性,采用自接觸方式設定模型與環境之間的換熱系數,并且將刀具約束為剛體。

設定邊界條件確定刀具和工件的初始狀態和相對運動。初始溫度場設定為20 ℃,采用位移/旋轉邊界條件,約束工件左側面、底面和基體右側面的所有自由度,設定為完全約束。采用速度/角速度邊界條件,在參考點處約束刀具除X方向平動的其余自由度,以防止工件和刀具在切削過程中因為相互作用而出現偏移和旋轉。

2.4 網格劃分

采用六面體單元進行網格劃分,將工件劃分為203 100個網格單元,單元尺寸為0.02 mm,刀具劃分為3 200個網格單元,如圖3所示。為滿足金屬切削的變形非線性要求,單元類型選擇顯示熱力耦合單元C3D8RT。采用ABAQUS/Explicit顯式求解器進行計算,分析步的類型選為Dynamic, Temp-disp, Explicit動態顯式熱-結構耦合分析步。

圖3 三維斜角切削有限元模型網格劃分

2.5 三維斜角切削有限元模擬結果

三維有限元模擬可以直觀描述三維切屑形態,溫度場及應力場的空間分布等,圖4給出了不同時間段切屑形態和應力場分布情況的預測結果。

由圖4可知7050-T7451鋁合金三維斜角切削有限元模擬切屑形態的預測結果與二維正交切削有限元模型的預測結果基本一致,均為C型連續帶狀切屑,隨著切削的進行應力場的分布逐漸變化,但是應力集中區主要在刀尖前第一變形區。沿進給方向看,切屑流動與刀具運動方向具有一定的夾角,切屑形態呈現螺旋帶狀屑,如圖5所示,而這些現象無法從二維正交切削有限元模擬的結果中獲得。

圖4 三維斜角切削模擬切屑形態和應力場預測結果

圖6為三向切削力的預測結果,圖中可以看出在0.000 5 s之后切削過程進入穩態切削階段,切削力均值趨于穩定。圖中切削力波動是由金屬切削過程中不斷產生網格斷裂引起的,在切削初始階段切削力波動較大,主要原因是網格變形不均勻和單元剛性變化。圖7為刀具溫度場分布隨時間變化的預測結果,圖中可以看出刀具最高溫度隨著切削過程的進行逐漸升高,刀具溫度最高區域主要集中在前刀面上臨近刀尖點上方的區域,當前切削條件下最高溫度為63.3 ℃。主要原因是,第一變形區工件材料在刀具的作用下產生彈塑性變形,產生大量的切削熱,使得前刀面切削溫度升高,并且當切屑從前刀面上流過時受到前刀面的擠壓作用,使得刀-屑之間發生劇烈摩擦,導致前刀面上的溫度繼續升高,這也解釋了金屬切削過程中前刀面“月牙洼”形成的原因。

圖5 沿切削速度方向切屑形態

圖6 三向切削力的預測結果

2.6 實驗驗證

2.6.1 7050-T7451鋁合金高速銑削實驗

采用牧野S33立式加工中心開展7050-T7451鋁合金高速銑削實驗,通過切削力和切削溫度測量驗證有限元模型的可行性和準確性。選取主軸轉速分別為10 000,12 000,14 000 r·min-1進行7050-T7451鋁合金銑削實驗,對應切削速度為251.33,301.59,351.86 m·min-1,在實驗過程中同時測量切削力和切削溫度數據。

2.6.2 結果驗證

圖7 三維斜角切削模擬刀具切削溫度場分布預測結果

選取Fx和Fy兩個切削分力最大值為研究對象進行切削力驗證,表7列出了切削力實驗值和兩種有限元模型預測結果的數值及誤差,Fx、Fxa和Fxb分別表示X方向切削力實驗值、二維正交切削有限元模型預測值和三維斜角切削有限元模型預測值,即小標a和b分別代表二維正交和三維斜角切削有限元模擬預測結果。對比結果表明實驗所建立的二維正交切削有限元模型兩向切削力的預測誤差在15%以內,三維斜角切削有限元模型切削力的預測誤差為10%左右。

以刀具最高溫度為研究對象進行切削溫度的驗證,表8列出了切削溫度實驗值和模擬預測值的對比,表中T、Ta和Tb分別表示切削溫度實驗值、二維正交切削有限元模型預測值和三維斜角切削模型預測值。對比結果表明二維正交切削有限元模型刀具最高溫度預測最大誤差為26.44%,三維斜角切削有限元模型的預測誤差在20%以內。

3 結論

本文基于ABAQUS6.14建立了7050-T7451鋁合金切削加工三維斜角切削有限元模型,采用高速銑削實驗從切削力和切削溫度兩個方面驗證了所建立有限元模型方法的可行性和預測結果的準確性。

表7 切削力實驗值和模擬值對比及誤差

表8 切削溫度實驗值和模擬值對比及誤差

驗證結果表明,該建模方法和材料模型參數滿足工程應用的需要,說明三維有限元銑削模型對切削力和切削溫度有極準確的預測性,為實際生產提供了指導手段,也能為切削參數優化提供指導意義。