刀具材料及角度對7075-T6鋁合金切削力的影響仿真

彭寶營,許冬,王鵬家

北京信息科技大學機電工程學院

1 引言

鋁合金材料憑借比強度高和硬度大以及斷裂韌性好等特點,在航空、航天以及軍工領域使用廣泛,尤其適用于高強度、耐腐蝕性好的高應力結構體以及飛機結構[1]。7075-T6鋁合金作為超高變形鋁合金的典型代表之一,其物理性能以及成形工藝性都較好。隨著鋁合金的應用領域增加,在加工方面的要求也越來越嚴格。由于鋁合金材料自身塑性較大,如何在最優條件下進行加工是個問題。

在金屬切削過程中,切削參數與刀具幾何參數是影響切削力的直接因素。胡波等[2]利用AdvantEdge軟件對TC4鈦合金進行切削力仿真,主要通過正交試驗改變切削參數以及刀具角度,從而確定這些參數對切削力的影響;劉日韋等[3]利用DEFORM軟件建立了鈦合金切削加工仿真模型,通過改變加工刀具角度,得出刀具角度與切削力之間的關系;張程焱等[4]通過正交試驗研究了切削參數對加工表面完整性的影響;鄭耀輝等[5]利用仿真軟件建立銑削加工仿真模型,采用正交試驗以及單因素試驗研究銑削參數對切削力和溫度的影響,并且對銑削參數進行優化;Dobrot? Dan等[6]設計了一款智能刀具,建立了切削加工模型,通過表面粗糙度分析驗證了智能刀具的可行性;Sethupathy A.等[7]建立了刀具幾何參數和加工參數預測切削力的統計模型,采用響應面法對7075-T6鋁合金進行試驗并分析了工藝參數對切削力的直接影響;陳良驥等[8]以降低銑削力和銑削熱為目標,結合多目標優化算法對7075-T6鋁合金銑削加工參數進行優化。

大多數研究是對切削參數以及刀具角度進行優化,但是在不同刀具材料以及刀具幾何參數對切削加工的影響方面研究較少。本文利用ABAQUS軟件對不同刀具材料以及不同刀具幾何參數的加工切削過程進行分析,以改善難加工材料的切削加工性能,并且更合理地選擇刀具材料以及幾何參數。隨著有限元技術的不斷發展,越來越多的學者利用有限元模型解決加工中面臨的工藝問題,為實際加工提供參考。

2 建立基于ABAQUS切削有限元模型

2.1 建立有限元模型

基于ABAQUS軟件建立7075-T6鋁合金切削加工仿真模型,切削加工仿真模型見圖1。工件尺寸為6mm×3mm,模型的網格劃分使用四面體結構雙線性熱—力耦合單元。為了確保仿真的準確性,對鋁合金工件上的切削區域以及加工刀具的接觸區域進行網格細化。加工工件的底面被完全固定,刀具和加工工件的初始溫度均設為25°,刀尖為圓弧狀,圓弧半徑r=0.003mm。切削加工參數為:切削速度v=3000mm/s,切削深度ap=0.5mm。

圖1 切削仿真模型

2.2 建立本構模型

ABAQUS軟件的材料庫中包含了各種材料的物理屬性以及本構關系等,金屬材料切削加工仿真常用的本構模型有Johnson-Cook模型、Bodner-Paton模型、Zerilli-Armstrong模型及冪函數形式模型[9]。

7075-T6鋁合金材料在切削過程中會處于溫度高、形變量大以及高應變速率的狀態,導致該材料的彈塑性發生改變。因此,在構建本構模型時,需要考慮各種因素對工件材料硬化的影響。

J-C模型能準確描述被加工工件的應變率、溫度、應變硬化等問題,并且該模型參數較少、預測精度較高,其模型表達式為[10]

(1)

使用J-C失效準則建立切屑和工件的分離斷裂失效標準,由J-C失效準則定義的單元損傷為

(2)

式中,D為損傷失效參數。當D=0時,為起始時刻;當D≥1時,材料失效。

(3)

(4)

(5)

式(1)～式(5)中的未知參數可以通過各種力學試驗來獲取,具體試驗見圖2。

圖2 獲取J-C本構參數的力學試驗

2.3 7075-T6鋁合金及刀具特性

仿真試驗工件材料為7075-T6鋁合金,其力學性能相關參數[11]見表1。切削仿真時7075-T6鋁合金材料的J-C本構參數[12]見表2,J-C損傷失效參數[13]見表3。

表1 7075-T6鋁合金的屬性參數

表2 7075-T6鋁合金的J-C本構參數

表3 7075-T6鋁合金的J-C失效參數

切削加工過程中,刀具的選擇非常重要。因此,仿真試驗選擇常用且具有代表性的刀具,分別為PCBN刀具、YG6X硬質合金刀具、YG8硬質合金刀具,不同刀具的屬性見表4。在切削仿真過程中需將刀具定義為剛體。

表4 不同刀具的屬性參數

3 仿真結果及分析

利用ABAQUS有限元軟件建立切削加工仿真模型,確定不同刀具材料對切削力的影響,得出最優切削加工刀具,采用單因素試驗法通過改變刀具的前角以及后角大小來分別研究其對7075-T6鋁合金切削加工時切削力的影響。

3.1 不同材料加工刀具對切削力的影響

保持基本量不變,切削速度v=3000mm/s,刀尖圓弧半徑r=0.003mm,刀具前角γ=6°,刀具后角α=10°。由ABAQUS軟件仿真分析得出不同刀具切削加工的切削力(見圖3)。

圖3 不同材料屬性刀具切削加工的切削力曲線

由圖3可得,在7075-T6鋁合金切削加工過程中,使用YG8硬質合金刀具所受的切削力比PCBN刀具以及YG6X刀具切削加工時所受的切削力小,因此選用YG8硬質合金刀具時加工效果最優。

3.2 刀具前角對切削力的影響

采用YG8硬質合金刀具進行切削加工,切削參數設置為:切削速度v=3000mm/s,刀尖圓弧半徑r=0.003mm,刀具后角α=10°。刀具前角γ分別為0°,3°,6°,9°和12°。由ABAQUS軟件仿真得出不同刀具前角切削加工的切削力值(見圖4)。

圖4 不同前角的切削力曲線

由圖4可得,在7075-T6鋁合金切削加工過程中,隨著刀具前角γ不斷增大,切削力逐漸減小,導致加工變形區的剪切角不斷變大,使得形變系數以及7075-T6鋁合金材料塑性變形程度越來越小;同時,刀具前刀面與切屑的接觸區域變窄,導致切屑與前刀面間的摩擦力變得越來越小。因此,當刀具前角γ不斷增大時,切削力逐漸減小。

3.3 刀具后角對切削力的影響

采用YG8硬質合金刀具進行切削加工,切削參數設置為:切削速度v=3000mm/s,刀尖圓弧半徑r=0.003mm,刀具前角γ=6°。刀具后角α分別為5°,7°,10°,12°和15°。由ABAQUS軟件仿真得出不同刀具前角切削加工的切削力值(見圖5)。

圖5 不同后角的切削力曲線

由圖5可得,在7075-T6鋁合金切削加工過程中,隨著刀具后角α增大,水平切削力Fx的變化相對較小,而垂直切削力Fy的變化相對較大,并且刀具后刀面以及7075-T6鋁合金材料表面彈性恢復層的接觸寬度會受到刀具后角α的影響。而且,在加工過程中,由于后角不斷增大,導致垂直方向受到的擠壓力逐漸變小,因此后角α的變化對垂直切削力Fy的影響較大。故刀具后角α不斷增大時,垂直切削力Fy會隨著刀具后角α的增大而減小。由于刀具后角α逐漸增大,刀具的楔角隨之變小,導致刀尖圓弧半徑變小,刀具刀刃變得更加鋒利,此時更易于切削加工。由于刀具后刀面以及7075-T6鋁合金材料表面彈性恢復層的接觸寬度變小,因此可以降低后刀面上所受擠壓力,從而降低垂直切削力Fy。

4 結語

基于ABAQUS軟件建立了7075-T6鋁合金的切削加工仿真模型,結合單因素試驗得出以下結論。

(1)采用不同刀具材料切削加工7075-T6鋁合金時,YG8硬質合金刀具所受切削力比PCBN刀具以及YG6X刀具切削加工時所受切削力要小,因此選用YG8硬質合金刀具時加工效果最優;

(2)在7075-T6鋁合金切削加工過程中,隨著刀具前角的不斷增大,所產生的切削力顯著降低;

(3)在7075-T6鋁合金切削加工過程中,刀具后角的不斷增大對水平切削力Fx的影響相對較小,但對垂直切削力Fy的影響相對較大。