1、2023 年第 5 期农机使用与维修15铝合金铣削加工三维斜角有限元模拟探索康晋辉(驻马店技师学院，河南 驻马店 463023)摘要:基于金属切削加工有限元模拟技术，采用 J C 材料本构模型在 ABAQUS6 14 中建立 7050 T7451 铝合金切削加工三维斜角切削有限元模型，阐述了 7050 T7451 铝合金切削机理，并且开展切削加工实验，研究结果为铝合金高速铣削加工切削力、切削温度预测提供可靠的有限元建模方法，也能为切削参数优化提供指导意义。关键词:铝合金;高速铣削;有限元模拟中图分类号:TB115文献标识码:Adoi:1014031/j cnki njwx202305004es
2、earch on 3d Finite Element Simulation of Aluminum Alloy MillingKANG Jinhui(ZhumadianTechnincian College，Zhumadian 463023，China)Abstract:Based on the finite element simulation technology of metal cutting，the three dimensional oblique cutting fi-nite element model of 7050 T7451 aluminum alloy cutting
3、is established in ABAQUS6 14 using J C material constitu-tive model，which realizes the prediction of cutting process，expounds the cutting mechanism of 7050 T7451 aluminumalloy，and conducts cutting experiments The research results provide a more reliable finite element modeling method forthe predicti
4、on and control of aluminum alloy high speed milling deformationKey words:Aluminum alloy;high speed milling;finite element simulation0引言7050 T7451 铝合金属于高强度可热处理合金，具有良好的抗剥落与抗应力腐蚀疲劳特性，强度高，断裂韧性好，在航空航天和汽车工业等领域得到广泛应用。表 1 列出了 7050 T7451 铝合金材料的化学成分。表 17050 T7451 铝合金名义化学成分单位:wt%成分SiFeCuMnMgCrZnTiZrAl含量0 120 1
5、52 0 2 60 11 9 2 60 045 7 6 70 060 08 0 15其余作者简介:康晋辉(1978)，女，河南驻马店人，硕士，高级讲师，研究方向为机械加工。为了对高速切削加工切削力、切削温度预测，有限元法可以将金属切削过程通过几何建模、材料属性赋予、设置接触与边界条件、网格划分等过程进行复现，降低生产成本，提高研究效率，是现实生产中的常用方法。目前，切削有限元建模方法主要包括:二维正交切削和三维切削 2 种有限元模型，采用二维正交切削有限元模型其实是对金属切削过程进行有效简化，但无法直观描述切削温度场及应力场等变量的空间分布，对切屑形态的预测也仅限于平面范畴。此外，在实际工程应
6、用中，由于刀具结构及加工方式的不同，正交切削状态较少。因此，本文针对 7050 T7451 铝合金切削过程进行三维斜角切削有限元模拟，更加真实地模拟金属切削过程，研究结果为铝合金高速铣削加工切削力、切削温度预测提供可靠的有限元建模方法，也能为切削参数优化提供指导意义。1金属切削有限元模拟关键技术1.1材料本构模型材料本构模型是对材料切削过程中流动应力行为的描述，J C 材料本构模型由材料的应变硬化、应变率强化和热软化效应三部分组成，本文使16农机使用与维修2023 年第 5 期用与金属切削有限元模拟 J C 模型的表达式为1?=A+B(?pl)n 1+Cln?pl?01 tranmelt tr
7、anm(1)式中，A 为准静态条件下材料的屈服强度，MPa;B 为材料应变硬化模量，MPa;n 为材料应变硬化参数;?0为参考应变率;C 为材料应变率强化参数;tran为室温，通常取25;melt为材料的熔点，;m 为材料热软化参数。7050 T7451 铝合金属于高强度铝合金，具有质量轻、强度高等良好的机械性能。表2 给出了7050 T7451 铝合金 J C 材料本构模型的主要参数 2 3。1.2有限元切削模拟铝合金热力学参数设置金属切削加工是一个典型的热力耦合过程，在有限元分析过程中必须同时进行力学分析和热分析。在切削有限元模型中，热力耦合作用由材料本构模型进行描述。为了描述切削温度对材
8、料力学性能的影响，本文采用的 7050 T7451 铝合金热力学参数列于表 3、表 4、表 5 中。刀具设定为刚体，不产生任何变形，刀具内不存在热源。表 27050 T7451 铝合金 J C 本构模型参数A/MPaB/MPanCm?0/(s1)melt/tran/490206 90 3440 0051 800 00163520表 37050 T7451 铝合金热导率温度/50100125200/W(m)1134142147176表 47050 T7451 铝合金线膨胀系数温度/20 100 20 125 20 150 20 20023 623 323 524 0表 57050 T7451 铝
9、合金比热容温度/50100150204260c/J(kg)18889049881 0041 0471.3切屑分离准则本文选择 Ductile Damage 模型为 7050 T7451铝合金高速铣削有限元模拟的断裂准则。此次三维切削加工有限元模拟设定 7050 T7451 铝合金失效位移为 5 105。27050 T7451 铝合金切削加工三维斜角切削有限元模拟2.1三维斜角切削有限元建模建立三维斜角切削几何模型，工件模型尺寸(长 宽 高)为 3 mm 0.5 mm 0.5 mm，未变形切屑层、分离层及基体的厚度分别为 0.10，0.05，0.35 mm。刀具尺寸为 1.5 mm 2.5 mm
10、，刀具前角为 10，后角为 5。在模型几何装配模块，设定切削刃斜角为 10，如图 1 所示。图 1三维斜角切削装配模型2.2材料属性赋予ABAQUS 为用户提供了各种材料性能模型，在金属切削模拟中涉及复杂的热力耦合及高度非线性问题，需要定义的材料性能包括热导率、密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、塑性参数、比热容等，7050 T7451 铝合金热导率、线膨胀系数、比热容及J C 材料本构模型的具体数值已知，表 6 列出了2023 年第 5 期农机使用与维修177050 T7451 铝合金和刀具的其他性能参数。表 67050 T7451 铝合金及刀具材料物理属性物理属性工件(7050 T7451
11、 铝合金)刀具(硬质合金)密度/(kgm3)2 83015 800弹性模量 E/GPa79 1700泊松比 0 330 18图 2 展示了本模型中工件分离层材料参数的设置。此外，值得注意的是 ABAQUS 软件中材料属性不能直接赋予几何模型，需要通过定义截面属性再传递给几何模型。图 2工件分离层材料参数设置2.3接触和边界条件设置本文采用经典库伦摩擦模型来描述切削加工中的刀具与工件之间的摩擦行为，选取摩擦系数为0.3。采用面 面接触方式定义刀具 工件之间的接触属性，采用自接触方式设定模型与环境之间的换热系数，并且将刀具约束为刚体。设定边界条件确定刀具和工件的初始状态和相对运动。初始温度场设定为
12、 20，采用位移/旋转边界条件，约束工件左侧面、底面和基体右侧面的所有自由度，设定为完全约束。采用速度/角速度边界条件，在参考点处约束刀具除 X 方向平动的其余自由度，以防止工件和刀具在切削过程中因为相互作用而出现偏移和旋转。2.4网格划分采用六面体单元进行网格划分，将工件划分为203 100个网格单元，单元尺寸为 0.02 mm，刀具划分为3 200个网格单元，如图 3 所示。为满足金属切削的变形非线性要求，单元类型选择显示热力耦合单元 C3D8T。采用 ABAQUS/Explicit 显式求解器进行计算，分析步的类型选为 Dynamic，Temp disp，Explicit 动态显式热 结
13、构耦合分析步。图 3三维斜角切削有限元模型网格划分2.5三维斜角切削有限元模拟结果三维有限元模拟可以直观描述三维切屑形态，温度场及应力场的空间分布等，图 4 给出了不同时间段切屑形态和应力场分布情况的预测结果。由图 4 可知 7050 T7451 铝合金三维斜角切削有限元模拟切屑形态的预测结果与二维正交切削有限元模型的预测结果基本一致，均为 C 型连续带状切屑，随着切削的进行应力场的分布逐渐变化，但是应力集中区主要在刀尖前第一变形区。沿进给方向看，切屑流动与刀具运动方向具有一定的夹角，切屑形态呈现螺旋带状屑，如图 5 所示，而这些现象无法从二维正交切削有限元模拟的结果中获得。18农机使用与维修
14、2023 年第 5 期图 4三维斜角切削模拟切屑形态和应力场预测结果图 5沿切削速度方向切屑形态图 6 为三向切削力的预测结果，图中可以看出在 0.000 5 s 之后切削过程进入稳态切削阶段，切削力均值趋于稳定。图中切削力波动是由金属切削过程中不断产生网格断裂引起的，在切削初始阶段切削力波动较大，主要原因是网格变形不均匀和单元刚性变化。图 7 为刀具温度场分布随时间变化的预测结果，图中可以看出刀具最高温度随着切削过程的进行逐渐升高，刀具温度最高区域主要集中在前刀面上临近刀尖点上方的区域，当前切削条件下最高温度为63 3。主要原因是，第一变形区工件材料在刀具的作用下产生弹塑性变形，产生大量的切
15、削热，使得前刀面切削温度升高，并且当切屑从前刀面上流过时受到前刀面的挤压作用，使得刀 屑之间发生剧烈摩擦，导致前刀面上的温度继续升高，这也解释了金属切削过程中前刀面“月牙洼”形成的原因。图 6三向切削力的预测结果2.6实验验证2.6.17050 T7451 铝合金高速铣削实验采用牧野 S33 立式加工中心开展 7050 T7451铝合金高速铣削实验，通过切削力和切削温度测量验证有限元模型的可行性和准确性。选取主轴转速分别为 10 000，12 000，14 000 rmin1进行7050 T7451铝合金铣削实验，对应切削速度为251.33，301.59，351 86 mmin1，在实验过程中
16、同时测量切削力和切削温度数据。2.6.2 结果验证选取 Fx和 Fy两个切削分力最大值为研究对象进行切削力验证，表 7 列出了切削力实验值和两种有限元模型预测结果的数值及误差，Fx、Fxa和 Fxb分别表示 X 方向切削力实验值、二维正交切削有限元模型预测值和三维斜角切削有限元模型预测值，即小标 a 和 b 分别代表二维正交和三维斜角切削有限2023 年第 5 期农机使用与维修19图 7三维斜角切削模拟刀具切削温度场分布预测结果元模拟预测结果。对比结果表明实验所建立的二维正交切削有限元模型两向切削力的预测误差在15%以内，三维斜角切削有限元模型切削力的预测误差为 10%左右。以刀具最高温度为研究对象进行切削温度的验证，表 8 列出了切削温度实验值和模拟预测值的对比，表中 T、Ta和 Tb分别表示切削温度实验值、二维正交切削有限元模型预测值和三维斜角切削模型预测值。对比结果表明二维正交切削有限元模型刀具最高温度预测最大误差为 26.44%，三维斜角切削有限元模型的预测误差在 20%以内。3结论本文基于 ABAQUS6.14 建立了 7050 T7451铝合金切削加工三维斜角切削有限元模型
