基于J-C本構(gòu)模型的2A12鋁合金高速銑削特性研究

趙家黎, 邵坤鵬, 張盼盼, 代燕霞

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

在切削加工中,刀具的磨損、工件表面的殘余應(yīng)力、工件表面質(zhì)量以及工件變形均受切削力的影響.尤其在高速切削加工中,切削力對(duì)刀具的磨損、工件表面質(zhì)量影響更大.因此，研究高速條件下切削參數(shù)和刀具角度對(duì)切削力的影響具有重要意義.

對(duì)切削力的研究通常采用解析法[1-5]和實(shí)驗(yàn)法[6-7]，兩種方法都需要大量的實(shí)驗(yàn)才可以得出力的模型參數(shù),故材料成本和時(shí)間成本比較大.近年來(lái)隨著ABAQUS、ADVANTADGE、ANSYS等有限元軟件的發(fā)展，切削加工仿真[8-9]成為研究切削加工過程中切削力的一個(gè)重要手段.趙云峰、張言中等[10-11]采用有限元軟件對(duì)AL2024鋁合金切削加工過程中切削力的變化、溫度的分布等進(jìn)行了研究,與實(shí)驗(yàn)對(duì)比一致性比較好.但這些研究都是在常規(guī)低速條件下進(jìn)行的,缺乏對(duì)高速切削過程中切削機(jī)理的研究.

2A12鋁合金作為可熱處理的強(qiáng)化鋁合金,其強(qiáng)度、硬度低,切削性能良好,是航空航天領(lǐng)域中使用最廣泛的鋁合金之一[12-13].本文以2A12鋁合金為例,針對(duì)高速切削加工鋁合金過程中切削參數(shù)選取優(yōu)化問題,利用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)2A12鋁合金進(jìn)行高速切削仿真,研究切削速度、切削深度、刀具前角對(duì)切削力的影響規(guī)律,為高速切削鋁合金選擇合理刀具幾何參數(shù)與切削參數(shù)提供一種可靠的方法.

1 高速切削2A12鋁合金仿真模型的建立

在ABAQUS/CAE模塊中建立二維刀具模型和工件模型,工件尺寸為6 mm×2.5 mm,刀具和工件設(shè)置為可變形體.工件參與切削部分的網(wǎng)格劃分要密,單元類型為CPE4RT,刀尖處網(wǎng)格大小應(yīng)與工件參與切削部分的網(wǎng)格大小相當(dāng),這樣劃分網(wǎng)格可以提高仿真效率,并且可以避免接觸失效和穿透現(xiàn)象.對(duì)刀具施加剛體約束,并在參考點(diǎn)上施加一個(gè)向左運(yùn)動(dòng)的載荷,同時(shí)限制工件6個(gè)方向的自由度.刀具與工件的接觸設(shè)定為面對(duì)面接觸,工件定義切削部分節(jié)點(diǎn)為接觸面,刀具設(shè)定外表面為接觸面.需要注意在對(duì)刀具和工件進(jìn)行裝配時(shí),工件與刀具應(yīng)分離,否則仿真將不能順利進(jìn)行.工件與刀具模型如圖1所示.

圖1 仿真模型

1.1 2A12鋁合金的J-C本構(gòu)關(guān)系

Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型因結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,參數(shù)可以通過霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)獲取,同時(shí)比較適用于高速、高溫的切削環(huán)境,故經(jīng)常應(yīng)用在數(shù)值模擬中.J-C本構(gòu)模型的表達(dá)式為[14-15]

(1)

表1 2A12鋁合金的J-C本構(gòu)參數(shù)

1.2 2A12鋁合金的J-C失效模型

金屬切削加工是一個(gè)被加工材料參與切削部分不斷失效和分離的過程,在失效時(shí)處于一個(gè)高溫、高應(yīng)變力的條件下,因此選用J-C失效模型進(jìn)行分析.

(2)

式中：參考應(yīng)變率取0.01；D1、D2、D3、D4、D5為材料的失效參數(shù),取值[16]如表2所列；εf為失效應(yīng)變；σ*為應(yīng)力三軸度.

表2 2A12鋁合金的J-C失效參數(shù)

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響

為了得到2A12鋁合金高速銑削過程中,切削深度和切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律,采用單因素的方法對(duì)2A12鋁合金高速切削加工過程進(jìn)行仿真.分別按照表3和表4所列的參數(shù),研究切削速度和切削深度對(duì)切削力的影響規(guī)律.

表3 主軸轉(zhuǎn)速單因素參數(shù)

表4 切削深度單因素參數(shù)

當(dāng)轉(zhuǎn)速n=4.0 r/min，切削深度ap=0.5 mm,進(jìn)給速度vf=2.0 m/min時(shí),得到如圖2所示的主切削力Fx和切深抗力Fy曲線.仿真開始刀具與工件單元未接觸時(shí),切削力為零.隨著時(shí)間的增加,切削力逐漸增大并且在某一個(gè)值附近波動(dòng),達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).這是由于在切削時(shí)，參與切削的單元位移量由零增加到失效位移量的過程中,單元不斷地分離,使切削力減小,同時(shí)刀具又不斷與新的單元接觸,使切削力增大,從而導(dǎo)致切削力的高頻周期性波動(dòng).這一過程與實(shí)際切削加工過程中切屑不斷形成相符.對(duì)比不同條件下的切削力曲線,發(fā)現(xiàn)切深抗力Fy都遠(yuǎn)小于主切削力Fx,可知在切削過程中Fx占主要作用,因此仿真中只考慮主切削力Fx的變化.

圖2 切削力仿真曲線

在每一種條件下取曲線穩(wěn)定的部分,計(jì)算出主切削力Fx的均值,得到主切削力隨著主軸轉(zhuǎn)速和切削深度變化的曲線，如圖3和圖4所示.

圖3 切削力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 切削力隨切削深度變化曲線

由圖3可知,當(dāng)切削深度ap=0.5 mm時(shí),刀具切削2A12鋁合金的切削力很小.隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷增大,切削速度由375 m/min增加到756.9 m/min時(shí)(主軸轉(zhuǎn)速與切削速度用公式v=nπd/1 000進(jìn)行換算,刀具直徑d=20 mm),切削力降低了近50%.這是由于隨著切削速度增加,切削溫度逐漸提高,2A12鋁合金切削層軟化,硬度與強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致切削力變小.

由圖4可知,當(dāng)切削深度ap由0.5 mm增加到3.5 mm時(shí),切削力由29.9 N增加到99.07 N,增大了3.4倍,切削力增大的幅度比較大.這是由于隨著切削深度的增加,刀具切削工件的體積增大,使得切屑的變形增大,同時(shí)切屑對(duì)刀具前刀面的壓力增大，導(dǎo)致前刀面與切屑之間摩擦力增大,從而使切削力急劇增加,零件的表面質(zhì)量不斷降低.因此在高速切削時(shí),為了得到較好的表面質(zhì)量應(yīng)取較小的切削深度.

2.2 刀具前角對(duì)切削力的影響

為了研究刀具前角對(duì)切削力的影響,分別取刀具前角為5°、10°、15°、20°進(jìn)行仿真.其中，轉(zhuǎn)速n=10.0 kr/min,刀尖圓弧半徑為0.02 mm.仿真過程中切屑狀態(tài)的變化和應(yīng)力的分布如圖5所示.

圖5 不同前角下的應(yīng)力云圖

由圖5可知：隨著刀具前角的增大,工件內(nèi)部應(yīng)力值基本不變；當(dāng)?shù)毒卟粩嗲腥霑r(shí),應(yīng)力最大值逐漸集中在切屑卷曲的部分；切屑的狀態(tài)隨著刀具前角的增大,逐漸由非連續(xù)狀態(tài)變?yōu)檫B續(xù)狀態(tài).這是由于當(dāng)?shù)毒咔敖潜容^小時(shí),切屑承受的擠壓大,比較容易斷裂.

此外，切削力的波動(dòng)隨著刀具前角的變大而減小.取其穩(wěn)定部分的平均值為參考,得到刀具前角對(duì)切削力的影響，如圖6所示.當(dāng)?shù)毒咔敖怯?°增加到20°時(shí),切削力減小了14.9%.這是由于隨著刀具前角的變大,刀具更容易切入工件,切屑的塑性變形減小,切削力隨之減小.

圖6 切削力隨著刀具前角的變化

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型和J-C參數(shù)的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)單因素銑削實(shí)驗(yàn).以BRIDGEPORT三軸立式銑床為平臺(tái),選用直徑為20 mm的硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行銑削,并采用Kistler三項(xiàng)測(cè)力儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的切削力，如圖7所示.銑削加工時(shí),由于刀齒不斷地切入切出,切削力十分不穩(wěn)定.取切削力峰值附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到如圖8所示的Fx方向切削力曲線.圖中的切削力數(shù)據(jù)是在轉(zhuǎn)速為4.0 kr/min,進(jìn)給速度vf=2.0 m/min ,銑削寬度ae=3 mm,銑削深度ap= 0.5 mm的條件下得到的.

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8 切削力實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線

取實(shí)驗(yàn)結(jié)果的峰值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)切削力曲線變化趨勢(shì)相同，如圖9所示.

圖9 切削力的實(shí)驗(yàn)與仿真曲線

實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)如表5和表6所列,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差,誤差最大為16.3%.存在誤差的原因包括：

表5 主軸轉(zhuǎn)速改變時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較

表6 切削深度改變時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較

1) 把三維銑削轉(zhuǎn)換成了二維車削進(jìn)行仿真；切削層厚度在仿真過程中沒有改變,切削力比較平穩(wěn)；而銑削時(shí)切削層厚度隨著刀齒的切入切出發(fā)生改變,切削力波動(dòng)較為嚴(yán)重.

2) 在有限元模型中把刀具設(shè)置成了剛體,沒有考慮刀具的磨損以及刀具溫度變化對(duì)切削力的影響.

3) 沒有考慮加工過程中刀具的振動(dòng).

4 結(jié)論

1) 使用2A12鋁合金的J-C本構(gòu)模型和失效模型,通過ABAQUS軟件在高速條件下仿真了切削力隨著切削速度v、切削深度ap以及刀具前角的變化規(guī)律.分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?.0 kr/min提升到12.0 kr/min時(shí)，切削力降低了近50%；在高速條件下刀具前角由5°增加到20°時(shí)，切削力減小了14.9%；當(dāng)切削深度由0.5 mm增加至3.5 mm時(shí),切削力變大了3.4倍；在高速切削時(shí)，應(yīng)該選擇較小的切削深度和較大的刀具前角.

2) 設(shè)計(jì)單因素銑削實(shí)驗(yàn),研究主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)切削力的影響,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在17%以內(nèi),達(dá)到了預(yù)期要求,驗(yàn)證了仿真模型的可用性.模型可以作為2A12鋁合金高速銑削加工仿真的參考,并且可以組合不同的參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),在一定程度上節(jié)約了研究成本.同時(shí)，還可以為高速銑削時(shí)切削參數(shù)、刀具角度的合理選取提供比較好的參考作用.