鋁硅合金ADC12切削仿真與試驗分析*

畢京宇,叢 明,劉 冬,許修箔,趙 鑫

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連機床集團有限責任公司，遼寧 大連 116620)

鋁硅合金ADC12切削仿真與試驗分析*

畢京宇1,叢 明1,劉 冬1,許修箔1,趙 鑫2

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連機床集團有限責任公司，遼寧 大連 116620)

針對某汽油機缸體、缸蓋材料——鋁硅合金ADC12的高速切削參數(shù)的優(yōu)化選擇，采用其Johnson-Cook本構(gòu)模型，在有限元軟件ABAQUS中采用熱-力耦合分析單元用硬質(zhì)合金刀具對其進行二維高速切削仿真，得出該合金在不同切削參數(shù)下的切削力大小及變化規(guī)律，經(jīng)過對比分析得出其最優(yōu)的切削參數(shù)。然后在高速銑床上對該發(fā)動機缸體、缸蓋材料進行高速銑削試驗，將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，驗證了有限元切削仿真的有效性，為該缸體、缸蓋進行高速銑削提供合理銑削參數(shù)的選擇依據(jù)。

鋁硅合金；ABAQUS；本構(gòu)模型；有限元切削仿真；切削試驗

0 引言

采用ADC12鋁硅合金制造的發(fā)動機缸體、缸蓋，不但重量輕、油耗少，而且導(dǎo)熱性、抗磁性、抗飾性和機械加工性均較鑄鐵好[1]。高速切削技術(shù)具有材料去除率高、切削力小、工件變形小以及加工精度高等優(yōu)點，在發(fā)動機缸體、缸蓋的加工中應(yīng)用越來越多[2]。隨著計算機技術(shù)及數(shù)值模擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元方法在金屬切削加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，利用有限元方法不僅可以節(jié)約經(jīng)濟成本，而且提高了工作效率，因此針對鋁硅合金ADC12切削參數(shù)優(yōu)化過程中，有限元切削模擬仿真顯得尤為重要。

國內(nèi)外應(yīng)用有限元軟件對金屬或非金屬材料進行切削仿真分析的研究也很多。Zhang Y C[3]等在ABAQUS/Explicit中對鈦合金Ti-6Al-4V進行干切削，證明了表面剪切應(yīng)力與接觸應(yīng)力和摩擦系數(shù)有關(guān)；郭淼[4]在ABAQUS中對LY12合金進行高速切削仿真，并對其殘余應(yīng)力進行了研究，得出不同切削參數(shù)和刀具參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響；楊勇等[5]在DEFORM中通過研究材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系、切屑分離、刀屑接觸等關(guān)鍵技術(shù)建立了正交切削有限元模型，提出材料本構(gòu)關(guān)系建立方法和切屑斷裂能量解釋觀點。

但是，由于國內(nèi)對鋁硅合金ADC12的高速切削仿真及工藝技術(shù)研究欠缺，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)切削參數(shù)欠優(yōu)化、機床利用率低、主軸轉(zhuǎn)速偏低等一系列問題。本文針對某汽車發(fā)動機缸體、缸蓋材料切削參數(shù)欠優(yōu)化這一問題進行分析研究，對該材料的高速切削參數(shù)進一步優(yōu)化提供理論和試驗基礎(chǔ)。

1 建立有限元模型

1.1 建立模型

切削加工過程是一個復(fù)雜的強熱力耦合的動態(tài)物理過程，涉及了彈性力學、塑性力學、斷裂力學、熱力學、摩擦學等多學科的交叉[6]。鑒于此，為了減小對其模擬過程的復(fù)雜性，我們進行有限元切削仿真時需對其進行必要的理想簡化[7]：

(1)假設(shè)工件材料為理想彈塑性體，且是均勻連續(xù)、各向同性的；

(2)在切削寬度遠大于切削厚度的情況下，忽略切削寬度方向的變形，切屑的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)可近似為平面應(yīng)變狀態(tài)。即在切削變形過程中，節(jié)點位移都發(fā)生在垂直于切削刃的平面內(nèi)；

(3)假設(shè)刀具為具有鈍圓的剛性體。

由于切削寬度遠大于切削厚度，因此基于以上假設(shè)，建立如圖1所示的二維切削模型。

圖1 二維切削仿真模型

1.2 材料本構(gòu)模型

該發(fā)動機缸體、缸蓋材料化學成分及材料物理性能如表1和表2所示[8]。

表1 ADC12鋁硅合金化學成分表

表2 ADC12鋁硅合金及硬質(zhì)合金刀具的材料屬性各參數(shù)值

由于Johnson-Cook本構(gòu)模型能夠較好的反映材料在切削過程中的應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和溫度效應(yīng)，因此在描述該材料物理力學性能時采用了J-C本構(gòu)模型：

(1)

式中：σeq—VonMises等效應(yīng)力；

A—材料在參考應(yīng)變率和參考溫度下的屈服強度；

B、n—應(yīng)變強化系數(shù)和硬化指數(shù)；

εeq—等效應(yīng)變；

C—應(yīng)變率敏感系數(shù)；

T*m=(T-Tr)/(Tm-Tr)—為無量綱化溫度，其中Tm、Tr分別為材料的熔點和參考溫度(取常溫)，T—當前溫度；m—溫度軟化系數(shù)；

該本構(gòu)模型為三項乘積的形式，因此可以比較容易地解耦，我們針對ADC12鋁硅合金材料分別進行了準靜態(tài)拉伸壓縮試驗和動態(tài)拉伸壓縮實驗來獲取該材料的J-C本構(gòu)模型中的參數(shù)，如表3所示。

表3 ADC12鋁硅合金J-C本構(gòu)模型參數(shù)值

因此其J-C本構(gòu)模型為：

(2)

1.3 刀屑接觸類型

切屑與前刀面接觸的摩擦類型分為內(nèi)摩擦和外摩擦。內(nèi)摩擦實際就是金屬內(nèi)部的滑移剪切，它與材料的流動應(yīng)力特征以及粘結(jié)面積大小有關(guān)；外摩擦力的大小與摩擦系數(shù)以及壓力有關(guān)，而與接觸面積無關(guān)。

圖2 高速切削前刀面法向應(yīng)力與摩擦應(yīng)力分布圖

從刀尖到前刀面上某一點處為粘結(jié)區(qū)，即內(nèi)摩擦，其摩擦應(yīng)力可視為常數(shù)，在這一點之后是滑動摩擦區(qū)，摩擦應(yīng)力沿前刀面切屑流動方向逐漸減小，其規(guī)律符合庫倫摩擦定律。整個刀屑接觸去屑可用下式描述：

τf=kchip(μσn≥kchip粘結(jié)摩擦區(qū))
τf=μσn(μσn

(3)

式中：τf為摩擦應(yīng)力；kchip為切削材料剪切流動應(yīng)力；μ為滑動摩擦系數(shù)；σn為法向壓力。

在本仿真試驗中，很難確定其內(nèi)摩擦應(yīng)力的大小，因此將刀屑摩擦類型理想化為滑動摩擦，取其摩擦系數(shù)取μ=0.2[8]。

2 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理

在二維切削仿真試驗中，我們研究切削參數(shù)中的切削速度、切削深度和切削寬度對切削力、切削溫度及應(yīng)力應(yīng)變的影響，得出合理的切削參數(shù)。鑒于鋁合金的最佳切削速度范圍是1500～4500m/min[9]，設(shè)計以下試驗方案。

2.1 切削速度單因素仿真試驗

切削速度對切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量有很大的影響，探究切削速度對上述三因素的影響是切削參數(shù)優(yōu)化選擇的基礎(chǔ)。選擇切削深度為0.1mm不變，只改變切削速度，其切削仿真試驗結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 切削速度單因素試驗

圖3 切削力隨切削速度的變化

從表4和圖3中的試驗結(jié)果可以得出，隨著切削速度的增大，切削力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為在中低速速切削條件下，隨著切削速度的提高，切屑應(yīng)變率和變形系數(shù)增大，刀屑摩擦系數(shù)增大，表現(xiàn)為切削力增大；高速切削條件下，隨著切削速度的增大，由于材料的熱軟化效應(yīng)作用明顯，刀屑摩擦系數(shù)下降，切屑變形系數(shù)減小，導(dǎo)致切屑變形功和刀屑摩擦功減少，因此切削力會呈現(xiàn)下降的趨勢。

2.2 切削深度單因素仿真試驗

切削深度又稱背吃刀量，背吃刀量的增大引起切削面積增大，從而使切削力增大。在此試驗項目中，切削參數(shù)的選擇如表5所示。

從圖4中可以看出，隨著切削深度的增大，X方向和Y方向的切削力呈現(xiàn)明顯增大的趨勢。這是因為對于二維切削而言，隨著切削深度的增加，其切削面積不斷增大，因此切削力呈現(xiàn)明顯增大的趨勢。

表5 切削深度單因素試驗

圖4 切削力隨切削深度的變化

3 切削試驗驗證

鑒于以上仿真試驗結(jié)果，進行了針對ADC12鋁硅合金材料的高速銑削試驗分析，通過改變其銑削參數(shù)并測量出其銑削力的大小及變化規(guī)律，從而驗證了數(shù)值模擬仿真的有效性，并對ADC12合金的高速切削參數(shù)的選擇提供了試驗依據(jù)。

加工中心采用大連機床集團生產(chǎn)的VDF-1500三軸立式高速加工中心，測力系統(tǒng)采用YDCB-Ⅲ05壓電式三向切削力測量儀，切削刀具采用直徑為100mm、六齒、組合式硬質(zhì)合金刀片盤銑刀。測量原理如圖5所示。

圖5 切削力測量原理圖

3.1 切削速度單因素試驗

由切削力經(jīng)驗公式可知，切削速度對切削力大小的影響較大，在形成積屑瘤之前，切削力隨切削速度的增大而增大，在形成積屑瘤之后又隨切削速度的增大而減小。

表6 切削速度單因素試驗

圖6 切削力隨切削速度的變化

由表6的數(shù)據(jù)和圖6中的曲線變化情況可知，當切削速度小于30m/s時，切削力隨切削速度的增大而逐漸增大，這是因為隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，刀具對工件的沖擊力頻率增大，從而增大了切削力；當切削速度大于30m/s時，切削力隨切削速度的增大而減小，這是因為此時切削溫度的影響占據(jù)了主導(dǎo)地位，切削溫度的升高使刀屑摩擦系數(shù)下降，變形系數(shù)減小，所以切削力呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.2 切削深度單因素試驗

切削深度又稱背吃刀量，背吃刀量的增大引起切削面積增大，從而使切削力增大。下面用試驗研究切削力隨切削深度變化的影響程度。

表7 切削深度單因素試驗

圖7 切削力隨切削深度的變化

由表7和圖7中的試驗結(jié)果可知，隨著切削深度的變化，切削力呈逐漸增大的趨勢，這是因為背吃刀量的增大引起切削面積增大，從而使切削力增大。

4 結(jié)論

通過針對ADC12鋁硅合金材料的有限元切削仿真和高速銑削加工試驗對比分析可知，切削仿真與試驗對比結(jié)果能夠基本吻合。其銑削力與切削參數(shù)的關(guān)系如下：

(1)切削深度對切削力影響程度最大，隨著切削深度的增大，切削力急劇增大；

(2)當切削速度小于30m/s時，切削力隨切削速度的增大逐漸增大，當切削速度大于30m/s時，切削力隨切削速度的增大而減小。

基于以上結(jié)論，在銑削時為了減小銑削力，我們應(yīng)盡量選擇較小的背吃刀量，銑削線速度大于30m/s時選擇較大的切削速度。

[1] 何一冉,叢明,畢京宇,等.ADC12鋁硅合金高速銑削穩(wěn)定性實驗研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2014(12):10-13.

[2] 何一冉. 鋁硅合金 ADC12 高速銑削實驗分析與切削穩(wěn)定性預(yù)測[D].大連:大連理工大學, 2014.

[3] Zhang Y C, Mabrouki T, Nelias D, et al. Chip formation in orthogonal cutting considering interface limiting shear stress and damage evolution based on fracture energy approach[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2011, 47(7): 850-863.

[4] 郭淼. LY12 合金高速切削仿真及殘余應(yīng)力分布研究[D]. 昆明:昆明理工大學, 2011.

[5] 楊勇, 柯映林, 董輝躍. 高速切削有限元模擬技術(shù)研究[J]. 航空學報, 2006, 27(3): 531-535.

[6] 張東進. 切削加工熱力耦合建模及其試驗研究[D]. 上海:上海交通大學, 2008.

[7] 王素玉, 艾興, 趙軍, 等. 正交切削區(qū)應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)值模擬[J]. 工具技術(shù), 2006,39(11): 25-28.

[8] 鄒連龍. 針對發(fā)動機缸體的高速銑削有限元仿真與穩(wěn)定性分析[D]. 大連:大連理工大學, 2013.

[9] 張伯霖, 高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2003.

(編輯 李秀敏)

Cutting Simulation and Experimental Research for Aluminum Silicon Alloy ADC12

BI Jing-yu1, CONG Ming1, LIU Dong1, XU Xiu-bo1, ZHAO Xin2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China; 2.Dalian Machine Tool Group Co., Ltd., Dalian Liaoning 116620, China)

In allusion to the optimal selection of high-speed cutting parameters of a type of gasoline engine cylinder block, cylinder head material-aluminum silicon alloy ADC12, we could do 2D high speed cutting simulation by carbide cutting tools with thermal-mechanical analysis unit in the finite element software ABAQUS. Then the cutting force and the rule of changes of them under different cutting parameters were concluded. We can select the optimal one by contrastive analysis. Then we carried out the high speed milling experiments on the engine cylinder block and cylinder head material on high speed milling machine. By comparing the test results with simulation results, the validity of the finite element simulation of cutting was verified. And that can provide reasonable milling parameters selection basis for the high speed milling of the cylinder block and cylinder head.

aluminum silicon alloy; ABAQUS; constitutive modeling ; finite element simulation cutting；cutting experiment

1001-2265(2017)01-0127-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.035

2016-04-07；

2016-04-23

國家 “高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題(2011ZX04015-021)

畢京宇(1987—),男,山東菏澤人,大連理工大學碩士研究生,研究方向為高速切削與精密加工技術(shù),(E-mail) bijingyu68@163.com。

TH140.7;TG111.3

A