目前，國內(nèi)對于6005A鋁合金大型薄壁中空結(jié)構(gòu)件的高速數(shù)控加工存在諸多問題，如數(shù)控加工效率較低、刀具損耗大、銑削速度較高時出現(xiàn)崩刃、打筋等，這些問題嚴(yán)重影響了企業(yè)生產(chǎn)效益。因此，研究6005A鋁合金的高速銑削加工機(jī)理，以解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
在銑削加工過程中，切削力決定切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具使用壽命、加工精度和加工表面質(zhì)量，研究切削力的規(guī)律和計算方法有助于分析銑削機(jī)理。解析法和實(shí)驗(yàn)法是研究切削力的主要方法，但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬方法為研究切削過程中的切削力提供了新的方法。國內(nèi)外學(xué)者在二維、三維正交切削數(shù)值模擬方面做了很多的工作，取得了豐碩的成果，然而針對6005A鋁合金的高速數(shù)控銑削加工的研究還未見報道。因此本課題采用三維斜角切削數(shù)值模擬的方法，對6005A鋁合金高速銑削過程中的切削力變化規(guī)律進(jìn)行探討，為優(yōu)選和優(yōu)化高速銑削6005A鋁合金結(jié)構(gòu)件的刀具幾何參數(shù)提供依據(jù)。
6005A鋁合金材料特性
6005A合金是在6005合金的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種中等強(qiáng)度Al-Mg-Si系合金，具有優(yōu)良的擠壓性、焊接性和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于地鐵和巴士車體結(jié)構(gòu)件、鐵塔平臺、管道設(shè)施等。6005A鋁合金的主要化學(xué)成分和材料基本性能參數(shù)如表1和表2所示。
有限元模型建立
1 熱力耦合有限元控制方程
在金屬切削加工時，隨著刀具的進(jìn)給，材料應(yīng)力不斷增加。當(dāng)應(yīng)力超出彈性范圍時，材料發(fā)生塑性變形。塑性變形功和刀屑之間的摩擦功轉(zhuǎn)變成熱而引起溫度的升高，從而由于溫度的升高產(chǎn)生熱應(yīng)變。在不考慮彈性蠕變的情況下，彈塑性區(qū)域的總應(yīng)變分量dε 可以表示為：
dε=dεel+dεpl+dεT （1）
式中，dεel 為彈性應(yīng)變增量；dεpl為塑性應(yīng)變增量；dεT為熱應(yīng)變增量。
基于虛功原理和大應(yīng)變、大變形理論，在不考慮體力的情況下，建立熱-力耦合彈塑性控制方程
Kep+ [KG]d˙=∫[Bε]T Depεt } dV?[Bε]T {R˙ εT} dV +˙F （2）
式中，[Kep] 為彈塑性剛度矩陣；[KG]為幾何剛度矩陣；d為節(jié)點(diǎn)速度；{R˙ εT}為相對溫度和等效應(yīng)變率的變化率；˙F為外部載荷的變化率，包括實(shí)際載荷變化率和由變形體形狀改變引起的載荷變化率。
2 幾何模型
3 材料模型
材料模型的正確定義是金屬切削過程數(shù)值模擬成功的一個關(guān)鍵因素。有限元軟件用一系列直線段連接給定的真實(shí)應(yīng)力- 應(yīng)變數(shù)據(jù)對來形成連續(xù)的、分段線性的塑性曲線，可以用任意多的數(shù)據(jù)對來逼近實(shí)際的材料行為，從而可得到近似于真實(shí)材料的塑性行為。圖1為通過拉伸試驗(yàn)得到的6005A鋁合金的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。
通過拉伸試驗(yàn)得到工程應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變。真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變和工程應(yīng)力-應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
σ = σnom（1+εnom） （3）
ε = ln（1+εnom） （4）
式中，σ為真實(shí)應(yīng)力； σnom為名義應(yīng)力；ε為真實(shí)應(yīng)變；εnom為名義應(yīng)變。#p#副標(biāo)題#e#
試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出的應(yīng)變?yōu)榭傮w應(yīng)變，因此將總體應(yīng)變分解為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變分量。彈性應(yīng)變等于真實(shí)應(yīng)力與楊氏模量的比值，則塑性應(yīng)變等于總體應(yīng)變減去彈性應(yīng)變。表3為經(jīng)過數(shù)據(jù)整理計算后得到的6005A鋁合金的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。在有限元軟件中，輸入材料的塑性參數(shù)時，初始真實(shí)應(yīng)變必須為0。通過在ABAQUS有限元軟件包Property模塊中選擇Mechanical→ Plasticity→Plastic，輸入表3中所給出的6005A鋁合金的真實(shí)塑性應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，來描述實(shí)際的材料行為。
4 刀具切屑接觸摩擦特性
金屬切削過程即刀具與工件相互運(yùn)動并相互作用，使切削層金屬與工件母體金屬分離開來。切削層金屬在刀具刃口和前刀面的擠壓、摩擦作用下發(fā)生剪切滑移變形和摩擦變形而形成切屑。前刀面和切屑的接觸區(qū)域分為滑移區(qū)和黏結(jié)區(qū)。在黏結(jié)區(qū)，切削時產(chǎn)生的高溫和高壓使得切屑底層材料軟化，切屑底層的金屬材料黏嵌在前刀面上，實(shí)際上是金屬內(nèi)部的剪切滑移，刀屑接觸點(diǎn)處的摩擦剪應(yīng)力等于臨界剪切流動應(yīng)力。在滑移區(qū)服從庫侖摩擦定律。刀屑摩擦特性表示為：
τ =μσn (σn < τpμ)
τp (σn τpμ) （ 5）
式中，τ為摩擦應(yīng)力；τp為材料的最大剪切應(yīng)力；σn為前刀面正應(yīng)力；μ為摩擦系數(shù)。
但是滑移區(qū)的摩擦系數(shù)是要通過分析刀具前面的應(yīng)力分布情況計算出來，因此本課題采取平均摩擦系數(shù)的方法，把摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，最大剪應(yīng)力設(shè)為205MPa。
5 網(wǎng)格劃分
工件和刀具均采用8節(jié)點(diǎn)六面體熱力耦合線性減縮積分單元C3D8RT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用增強(qiáng)沙漏控制。為了提高數(shù)值模擬精度和減少計算機(jī)時，只對切屑層和刀尖處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。因?yàn)榈毒吆凸ぜ挠捕认嗖詈艽?，所以分析時視刀具為剛體，刀刃絕對鋒利。工件共劃分8280個單元，刀具共劃分480個單元，有限元模型如圖2所示，其中工件尺寸為5mm×1mm×1mm。
數(shù)值模擬結(jié)果及分析
利用ABAQUS有限元軟件對車輛鋁合金材料6005A高速銑削加工進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬時刀具從圖2所示位置開始切削，沿X方向做進(jìn)給運(yùn)動，邊界條件如圖2所示，約束工件底面6個自由度，刀具除X方向移動自由度外，其余全部受到約束。刀具材料選擇硬質(zhì)合金立銑刀，牌號為K20，彈性模量為600GPa，泊松比為0.25。模擬采用的切削參數(shù): 進(jìn)給速度為3m/min，切削深度為0.2mm，切削寬度為1mm。
在切削參數(shù)一定的情況下，模擬不同刀具前角和刃傾角情況下的斜角切削過程，分析刀具幾何角度變化對切削力的影響。表4給出了2組模擬條件。在高速切削的條件下，刀具前角對切削過程的影響更大，因此在第一組的模擬條件中，變化刀具前角，后角和刃傾角為目前正在使用的刀具的參數(shù)一致。在第二組的模擬條件中，在高速銑削時，為了減小刀具——工件之間的摩擦，綜合考慮可以將后角選為12°以上，本課題選擇13°進(jìn)行模擬，分析刃傾角對切削力的影響。
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