汪健明 劉康

摘 ?要：為了研究不同切削參數(shù)對(duì)鋁合金切削過程中切削力和切削溫度的影響，以鋁合金7075-T651為對(duì)象，采用仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法，利用金屬有限元切削專用軟件AdvantEdge建立了鋁合金7075-T651的二維正交切削仿真模型，并進(jìn)行合理的工件和刀具材料參數(shù)以及本構(gòu)模型設(shè)置。通過仿真分析，研究了切削力和切削溫度與進(jìn)給速度以及切削深度的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給速度和切削深度的增大，切削力和切削溫度增大。切削鋁合金7075-T651時(shí)，應(yīng)采用較小的切削深度和進(jìn)給速度。

關(guān)鍵詞：AdvantEdge;鋁合金7075-T651;切削力;切削溫度

中圖分類號(hào)：TP319 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to study the influence of different cutting parameters on cutting force and cutting temperature in cutting process of aluminum alloy， this research uses aluminum alloy 7075-T651 as the object， and takes the method of combining simulation and experimental verification as the research method. This paper proposes to use special software AdvantEdge of metal finite element cutting to establish two-dimensional orthogonal cutting simulation model of aluminum alloy 7075-T651. Reasonable workpieces， tool material parameters and constitutive model are set. Through simulation analysis， the relationship between cutting force and cutting temperature， feed speed and depth of cut are studied and verified by experiments. Simulation and experimental results show that within a certain range， with the increase of feed speed and cutting depth， cutting force and cutting temperature increase. When cutting aluminum alloy 7075-T651， smaller depth of cutting and feed rate should be used.

Keywords： AdvantEdge; aluminum alloy 7075-T651; cutting force; cutting temperature

1 ? 引言（Introduction）

由于鋁合金7075-T651具有高比強(qiáng)度和良好的熱加工性能，以及高韌性和良好的耐腐蝕性，近年來在航空航天、模具加工、機(jī)械設(shè)備以及夾具中得到了越來越多的應(yīng)用[1-2]。但由于其在加工過程中極易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致加工精度很難控制，從而影響產(chǎn)品的合格率，為了提高加工質(zhì)量，就需要對(duì)加工過程中的切削力和切削溫度進(jìn)行控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使用有限元仿真方法來分析切削加工過程中的切削力和切削溫度就變得非常簡便。切削仿真不僅可以精確地模擬加工過程，而且可以極大地節(jié)省時(shí)間和成本，具有十分重要的意義。如文獻(xiàn)[3-5]利用有限元軟件建立二維正交切削仿真模型，對(duì)不同金屬材料進(jìn)行切削仿真研究，優(yōu)化參數(shù)以降低切削力和切削溫度。利用有限元仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究切削加工過程是非常普遍的。如文獻(xiàn)[6-9]利用有限元軟件建立切削仿真模型，研究不同加工參數(shù)對(duì)切削加工質(zhì)量的影響，并進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化以提高加工質(zhì)量，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文利用金屬切削仿真專用軟件AdvantEdge進(jìn)行鋁合金7075-T651的切削仿真研究，分析不同加工參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 ?有限元模型的建立（The establishment of finite element model）

2.1 ? 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

本文采用切削仿真專用軟件AdvantEdge建立如圖1所示的二維正交切削有限元模型，工件長×寬為5 mm×2 mm。刀具為硬質(zhì)合金刀，刀尖圓弧半徑為0.02 mm，前角5 °，后角10 °，刀具半徑8 mm，工件及刀具的材料特性參數(shù)記錄在表1內(nèi)。

在金屬材料高溫、大變形、大應(yīng)變率的切削過程中，導(dǎo)致材料彈塑性流動(dòng)的因素非常復(fù)雜。因此，為了確保仿真的準(zhǔn)確性，在仿真有限的金屬切削工件時(shí)，必須合理地選擇材料參數(shù)，以確保結(jié)果的正確性和可靠性。J-C模型能很好地反映高應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫下金屬的大熱變形。它適用于多種材料，形式簡單，常用于切削仿真中。對(duì)于材料變形過程的有限元仿真，如機(jī)械加工和塑性成形，控制方程為：

2.2 ? 刀-屑接觸摩擦模型、有限元網(wǎng)格以及熱傳導(dǎo)的設(shè)置

軟件中通常設(shè)置刀具工件的關(guān)系為主從（剛性彈塑性），以確保仿真過程中刀具網(wǎng)格不會(huì)畸變以致迭代出錯(cuò)。刀具與工件之間的摩擦因子（取為0.5）對(duì)于最終的仿真結(jié)果有著決定性的作用，本文采用庫侖摩擦定律來定義工件與刀具的摩擦邊界條件，如下所示：

其中，F(xiàn)是刀具與工件表面的作用力，是摩擦因子，是由于摩擦導(dǎo)致的摩擦力。

本文中所使用的AdvantEdge軟件通過可視化的網(wǎng)格自適應(yīng)設(shè)置，以及設(shè)定分析計(jì)算中的自適應(yīng)重劃分系數(shù)，可以調(diào)節(jié)計(jì)算精度，以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。同時(shí)增加了重劃分邏輯判斷，能夠大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。本文中工件和刀具最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm，最大網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，工件網(wǎng)格細(xì)化因子為2。

而在切削加工過程中，熱載荷也是非常重要的，它對(duì)材料的物理屬性有直接的影響。切削熱的產(chǎn)生主要集中在第一和第二切削區(qū)，在第一切削區(qū)中，溫度的改變主要是由金屬材料塑性變形引起的;而在第二切削區(qū)中，主要是受到刀具和切屑之間的摩擦所致，同時(shí)還包括后刀面摩擦生成的熱量傳遞至工件中。軟件中設(shè)置刀具和工件的初始溫度為20 °C，內(nèi)部熱傳導(dǎo)系數(shù)通常在工件材料中設(shè)定。

2.3 ? 切削工藝參數(shù)的選定

本文實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定的切削參數(shù)如表4所示。

3 ? 切削實(shí)驗(yàn)（Cutting experiment）

本實(shí)驗(yàn)是在Carver S600A立式銑床上進(jìn)行的，同時(shí)使用硬質(zhì)合金3刃直徑8 mm圓柱螺旋立銑刀，對(duì)鋁合金7075-T651進(jìn)行順銑加工。切削溫度由NI 9213溫度采集卡的K型熱電偶測(cè)量，熱電偶布置原理如圖2所示。切削力由安裝在機(jī)床上的Kistler測(cè)力儀（9139AA型）測(cè)量，采樣率設(shè)置為2，500 Hz。切削力和切削溫度測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

4 ?仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（Simulation and analysis of experimental results）

圖4為鋁合金7075-T651切削加工切削力數(shù)據(jù)經(jīng)過多項(xiàng)式擬合后的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)切削力FX很明顯地由小及大，到達(dá)峰值后又下降，呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，這符合槽銑的特點(diǎn)。本文中平均切削力的取值方法是在穩(wěn)定切削階段固定間隔位置取若干點(diǎn)的切削力數(shù)值，然后取這些切削力數(shù)值的平均值作為該參數(shù)下的切削力。

圖5為切削加工的切削溫度仿真結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，工件已加工表面處會(huì)形成溫度梯度，在溫度梯度處做一條線段，提取這條線段上各個(gè)點(diǎn)的溫度，繪制成溫度變化曲線，取其平均值作為該參數(shù)下的已加工表面溫度值。

由表5實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知，高速切削鋁合金7075-T651時(shí)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度不變時(shí)，隨著進(jìn)給速度由0.4 m/min增大到0.8 m/min，切削力FX的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別增大了10 N和9 N，切削力FY的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別增大了5 N和3 N，切削溫度的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別增大了26 °C和24 °C。而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度不變時(shí)，隨著切削深度由0.4 mm增大到1 mm，切削力FX的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別增大了38 N和36 N，切削力FY的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別增大了29 N和25 N，切削溫度的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別增大了38 °C和47 °C。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，通過有限元仿真所得出來的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果誤差為4.5%—15.7%，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)基本吻合，這也證明了所建立的仿真模型的準(zhǔn)確性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工結(jié)果趨勢(shì)的模擬預(yù)測(cè)。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

本文基于切削仿真專用軟件AdvantEdge建立了鋁合金7075-T651二維正交切削有限元模型，分析了進(jìn)給速度和切削深度對(duì)切削力和切削溫度的影響，并利用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)獲得了鋁合金7075-T651的切削力和切削溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明：切削力和切削溫度隨著進(jìn)給速度和切削深度的增大而增大。因此，在切削鋁合金7075-T651時(shí)，應(yīng)選擇較小的進(jìn)給速度和切削深度。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 蘇景新，鄒陽，陳康敏，等.民航客機(jī)7075-T6鋁合金壁板的腐蝕特征與機(jī)制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（08）：91-96.

[2] 鄧云飛，張永，曾憲智，等.6061-T651鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及斷裂準(zhǔn)則修正[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（18）：81-91.

[3] 肖田，王懷峰，武文革.基于AdvantEdge的鈦合金Ti6Al4V的高速銑削有限元仿真[J].煤礦機(jī)械，2012，33（05）：138-140.

[4] 周欣，王鵬，楊昆明.鋁合金7075-T6銑削加工有限元仿真分析[J].煤礦機(jī)械，2018，39（09）：72-74.

[5] LI G H， QI H J， YAN B. Finite element simulation study of cutting process for large thin-wall part of aluminum alloy[J]. Key Engineering Materials， 2012，522：62-67.

[6] 姚煬，沈春根，馬殿文.PCD刀具高速車削高強(qiáng)鋁合金切削力仿真[J].工具技術(shù)，2019，53（02）：81-85.

[7] 陳衛(wèi)林，楊東，吳敏，等.7050-T7451鋁合金直角切削仿真研究[J].機(jī)械制造，2021，59（02）：63-67.

[8] 鄭耀輝，王朋，劉娜，等.7075鋁合金銑削參數(shù)優(yōu)化仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（05）：171-174.

[9] 歐陽敏慧，張新豐，彭文飛，等.鋁合金7050切削過程的數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，17（03）：102-107.

作者簡介：

汪健明（1997-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：先進(jìn)制造裝備及工藝.本文通訊作者.

劉 ? ?康（1996-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：機(jī)器視覺.