鋁合金6061-T6銑削仿真與試驗(yàn)研究*

張玉騰，楊發(fā)展,2，劉慶峰，喬石，李丹樂

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520； 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

鋁合金6061-T6銑削仿真與試驗(yàn)研究*

張玉騰1，楊發(fā)展1,2，劉慶峰1，喬石1，李丹樂1

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520； 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

為了研究鋁合金材料在不同銑削參數(shù)下加工時(shí)的應(yīng)力、溫度以及切屑形態(tài)變化，采用有限元分析軟件Abaqus、采用Johnson-Cook本構(gòu)模型對鋁合金6061-T6銑削加工過程進(jìn)行了銑削仿真分析,同時(shí)采用相同的銑削參數(shù)在VWC850B加工中心上進(jìn)行了銑削實(shí)驗(yàn)研究。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，理論分析與有限元仿真結(jié)果和銑削試驗(yàn)結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果表明文中建立和應(yīng)用的有限元模型較為準(zhǔn)確，可為后續(xù)其他材料和加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測，對生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

6061-T6鋁合金；有限元分析；銑削力；銑削溫度；本構(gòu)模型

0 引言

隨著高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，高速列車車體的制造材料實(shí)現(xiàn)了從碳鋼向不銹鋼、鋁合金材料的轉(zhuǎn)變，尤其是鋁合金具有重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好，并且容易制造焊接為復(fù)雜曲面等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，世界各國正在逐漸停止制造和使用碳鋼車體，全面轉(zhuǎn)向不銹鋼和鋁合金車體[1]。6061鋁合金經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，硅、鎂合金特性多，具有極佳的加工性能、優(yōu)良的焊接特點(diǎn)和良好的抗腐蝕性等優(yōu)良特點(diǎn)。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元仿真技術(shù)也迅速發(fā)展起來。通過有限元分析軟件可以對鋁合金加工過程進(jìn)行可靠的模擬仿真從而更好的了解切削機(jī)理、探究切削過程以及對加工參數(shù)進(jìn)行更好的優(yōu)化。因此，基于有限元分析的金屬切削加工過程仿真技術(shù)具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對鋁合金加工實(shí)驗(yàn)和仿真進(jìn)行了分析和研究，浙江大學(xué)董輝躍等人研究了鋁合金銑削加工的有限元模擬，揭示了刀—屑的接觸長度對應(yīng)力、應(yīng)變和切削溫度分布的影響[2]。陳明等應(yīng)用有限元法對高速銑削鋁合金薄壁件過程中工件與刀具接觸面溫度及工件內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了仿真[3]。MohammadS.Hajmohammadi等人基于有限元模擬的切屑形成熱效應(yīng)進(jìn)行了研究[4]。上述研究常采用二維切削仿真方法進(jìn)行銑削仿真，默認(rèn)切削厚度不發(fā)生變化，并且采用康銅絲進(jìn)行溫度采集的誤差較大，本文采用有限元分析軟件Abaqus基于真實(shí)刀尖的次擺線運(yùn)動對鋁合金6061-T6銑削加工過程進(jìn)行仿真分析，同時(shí)采用相同的切削參數(shù)在VWC850B加工中心上進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中將康銅帶代替康銅絲進(jìn)行溫度采集以提高測量精度。通過實(shí)驗(yàn)與有限元仿真的互相驗(yàn)證，獲得比較準(zhǔn)確的鋁合金銑削模型，對下一步的切削參數(shù)優(yōu)化和生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

1 Abaqus有限元仿真分析

基于Abaqus鋁合金銑削過程有限元建模包括二維幾何形狀模型、本構(gòu)模型、切屑的分離準(zhǔn)則、網(wǎng)格劃分、表面接觸類型和施加載荷等方面。

1.1 本構(gòu)模型與分離準(zhǔn)則

銑削過程應(yīng)變大、溫度高，并且溫度、應(yīng)變分布的梯度大。因此需要根據(jù)銑削過程的特點(diǎn)選用合適的本構(gòu)模型。目前常用的本構(gòu)模型有：Johnson-Cook、Bonner-Paton、Follansbee-Kocks等模型，目前能表征材料在高應(yīng)變速率下的熱粘塑性變形的只有Johnson-Cook本構(gòu)模型。模型關(guān)系為：

(1)

表1所示為6061-T6鋁合金的Johnson-Cook模型參數(shù)[5]。

表1 6061-T6鋁合金的Johnson-Cook模型參數(shù)

將Johnson-Cook失效模型與Johnson-Cook本構(gòu)模型配合使用，可以更準(zhǔn)確的表征大應(yīng)變下的金屬變形失效，因此采用該失效模型。Johnson-Cook失效模型基于單元積分點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變來定義破壞參數(shù)，即：

(2)

(3)

表2 6061-T6鋁合金的Johnson-Cook失效模型參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

有限元仿真中網(wǎng)格質(zhì)量對仿真結(jié)果影響較大，本模擬仿真中定義刀具模型為剛體，只考慮溫度的傳導(dǎo)，因此對刀具和基體材料采用了不同的網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，刀具采用三角形自由網(wǎng)格類型，基體材料采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型，相比三角形自由網(wǎng)格，四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格穩(wěn)定性更好。如圖1所示，刀具和工件材料使用了離散密度的網(wǎng)格劃分方法，使其在接觸密集區(qū)的刀尖部分和與切屑分離的基體表面獲得更加致密和均勻的網(wǎng)格，以便獲得更接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的切屑形態(tài)和更高的計(jì)算精度。

(a)刀具網(wǎng)格劃分 (b)工件網(wǎng)格劃分圖1 刀具與工件網(wǎng)格劃分

1.3 有限元仿真計(jì)算

銑削加工過程中，刀具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給是同時(shí)進(jìn)行的，因此切削刃上切削點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是一條次擺線，得到的切屑厚度是不斷變化的。但是，由于銑削過程中切屑厚度改變很小，因此可以把該次擺線路徑近似為圓弧。根據(jù)這種方法建立圖2所示的鋁合金銑削加工幾何模型，預(yù)測的切屑形態(tài)為半月牙型。

圖2 刀具與工件幾何模型

參數(shù)定義完成以后，提交任務(wù)至有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，最終完成一個(gè)銑削步，獲得的Mises分布云圖如圖3所示。從圖3可以看出，Mises應(yīng)力最高達(dá)到400MPa，切屑形態(tài)也與實(shí)際的到的切屑圖片基本一致，因此可以得出模擬仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確的初步結(jié)論。

圖3 仿真過程中模型Mises應(yīng)力分布云圖

2 實(shí)際銑削實(shí)驗(yàn)

高速銑削實(shí)驗(yàn)在VWC850B加工中心上進(jìn)行，采用瑞士Kistler9225B三向測力儀對銑削力進(jìn)行采集，采用橫河MX100溫度測量儀進(jìn)行溫度采集，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

實(shí)驗(yàn)中溫度測量方法采用了半人工熱電偶法，測試的原理如圖5所示。該系統(tǒng)采用了厚度較薄的康銅帶，可以大幅彌補(bǔ)傳統(tǒng)半人工熱電偶法只能測量銑削過程中某一點(diǎn)瞬時(shí)溫度的不足，有效提高測量響應(yīng)精度和測量精度。

圖5 銑削溫度測量系統(tǒng)

銑削所用的刀具材料為硬質(zhì)合金刀具，刀具參數(shù)如表3所示。

表3 刀具材料參數(shù)

實(shí)驗(yàn)方案與仿真方案相同，如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)方案

3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

3.1 仿真與實(shí)驗(yàn)切屑形態(tài)對比

圖6為模擬仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)獲得的切屑形態(tài)圖，圖6a仿真模擬得到的切屑形態(tài)呈圓弧狀，表面比較光滑，切屑?xì)堄鄳?yīng)力主要集中在切屑內(nèi)側(cè)，圖6b實(shí)驗(yàn)條件下得到的切屑形態(tài)整體也呈圓弧狀，在切屑尾部有輕微卷曲，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)細(xì)微鋸齒。

(a)實(shí)驗(yàn)序號5仿真得到的切屑 (b)實(shí)驗(yàn)序號5得到的切屑(放大100倍)

觀察兩張切屑形態(tài)基本相似，說明有限元仿真具有很好的準(zhǔn)確性。觀察獲得仿真分析和實(shí)驗(yàn)加工獲得的兩張切屑尾部的不同形態(tài)，出現(xiàn)的主要原因是利用abaqus進(jìn)行建模時(shí)尾部由于尺寸太小為劃分網(wǎng)格造成了很大的困難，很容易在仿真運(yùn)算時(shí)造成網(wǎng)格畸變，發(fā)生錯(cuò)誤。于是在不影響仿真精度的前提下對切屑的尾端進(jìn)行了切除處理，使得仿真運(yùn)算更容易進(jìn)行。此外實(shí)驗(yàn)獲得了細(xì)小的鋸齒狀切屑，而在仿真實(shí)驗(yàn)中得到的切屑并沒有細(xì)微的鋸齒，原因是由于切屑是在5000r/min的轉(zhuǎn)速下得到的，由于轉(zhuǎn)速較低造成切屑表面不平整，而銑削過程是一個(gè)連續(xù)的過程，因此造成了細(xì)微的鋸齒狀切屑，經(jīng)過觀察，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000r/min時(shí)的切屑圖時(shí)，如圖7所示，切屑細(xì)微鋸齒基本消失，從對應(yīng)的仿真結(jié)果可以看出速度的改變對切屑的整體形態(tài)改變不大，僅改變了切屑的弧度，速度越高，對應(yīng)的切屑弧度也越大。

(a)實(shí)驗(yàn)序號7仿真得到的切屑 (b)實(shí)驗(yàn)序號7得到的切屑圖(放大100倍)

3.2 銑削力對比

鋁合金銑削實(shí)驗(yàn)所測得的銑削力是連續(xù)周期性變化的，而建立的鋁合金銑削模型是一個(gè)周期內(nèi)單個(gè)刀齒銑削工件的過程，因此需要從實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)中提取穩(wěn)定的一個(gè)周期力的變化情況，由于模型為二維銑削模型并且在實(shí)驗(yàn)過程中X方向的受力最大，周期性特點(diǎn)最佳，因此僅對比X方向的銑削力進(jìn)行對比分析。

(a)實(shí)驗(yàn)序號6條件下銑削力

(b)實(shí)驗(yàn)序號6條件下仿真得到的銑削力圖8 銑削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真得到應(yīng)力變化曲線

圖8為銑削實(shí)驗(yàn)與模擬仿真獲得的應(yīng)力變化曲線圖。圖8a是經(jīng)過平滑濾波后得到的三向銑削力變化曲線，可以看到曲線具有明顯的周期性變化。圖8b中銑削力迅速達(dá)到最大值然后隨著銑削厚度的減小銑削力逐漸下降，由于模型對切屑尖端進(jìn)行了去除處理所以銑削力變化曲線在0.0007s時(shí)有驟降并伴有波動。

圖9 實(shí)驗(yàn)序號3條件下的銑削力對比

圖9、圖10分別是實(shí)驗(yàn)序號3、7條件下實(shí)驗(yàn)測得和模型預(yù)測的銑削力對比結(jié)果。通過比較發(fā)現(xiàn)，兩種實(shí)驗(yàn)條件下銑削力峰值均比較相符，相對誤差分別為13.6%和8.2%。但在銑削力峰值出現(xiàn)的時(shí)間上相對誤差較大，主要原因是模擬獲得的切屑形狀與實(shí)驗(yàn)加工獲得的切屑存在一定區(qū)別，如圖11所示，采用這種切屑幾何形狀有利于有限元模型的順利計(jì)算，在有限元模型中切屑厚度迅速達(dá)到最大值，此時(shí)銑削力達(dá)到峰值，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，切屑厚度達(dá)到最大值需要一定時(shí)間，因此造成了實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中銑削力峰值達(dá)到的時(shí)間要晚于模型預(yù)測時(shí)間。

圖10 實(shí)驗(yàn)序號7條件下的銑削力對比

圖11 實(shí)際切屑與模型切屑對比

3.3 銑削溫度對比

圖12為模擬銑削仿真過程中溫度最高點(diǎn)的溫度變化圖，為了提供一個(gè)較真實(shí)連續(xù)銑削的環(huán)境條件，將刀具的初始溫度定義為600K(327°C)，從圖中可以看出整個(gè)模擬銑削過程溫度比較穩(wěn)定，維持在400K(127°C)左右，隨著仿真模擬的進(jìn)行溫度略有下降，分析原因是隨著銑削過程的進(jìn)行，銑削厚度逐漸減小，銑削力逐漸減小，因此造成溫度的略有下降。

圖12 模擬仿真得到的溫度曲線

圖13為實(shí)驗(yàn)測得與仿真預(yù)測的溫度對比，可以看出實(shí)驗(yàn)測得與模型預(yù)測的溫度值基本相同，總體相對誤差維持在4.9%～19.6%之間，在允許誤差范圍以內(nèi)。從圖12中還可以看出實(shí)驗(yàn)測得的溫度值總體低于模型預(yù)測的溫度值，原因是實(shí)驗(yàn)測量溫度會有一部分散失，造成溫度測量值比實(shí)際溫度值偏小。

圖13 實(shí)驗(yàn)測得與仿真預(yù)測的溫度對比

4 結(jié)論

通過銑削實(shí)驗(yàn)和有限元結(jié)果分析比較獲得以下結(jié)論：

(1)建立了適合6061-T6的銑削有限元模型，通過對比相同切削參數(shù)下的切屑形態(tài)、銑削應(yīng)力以及銑削溫度的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高，并對出現(xiàn)的誤差進(jìn)行了解釋，證明了有限元模型的準(zhǔn)確性。

(2)通過建立準(zhǔn)確性較高的6061-T6的銑削有限元模型，為進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金加工工藝參數(shù)奠定了基礎(chǔ)，并且為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

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(編輯 李秀敏)

Simulation Analysis and Experimental Study on Milling of Aluminum Alloy 6061-T6

ZHANGYu-teng1,YANGFa-zhan1,2,LIUQing-feng1,QIAOShi1,LIDan-le1

(1.CollegeofMechanicalEngineering，QingdaoTechnologicalUniversity，QingdaoShandong266520,China；2.CollegeofMechanicalEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049,China)

Inordertoanalyzethestresses,temperaturesandchipshapesindifferentmillingparameters,millingprocesssimulationofaluminumalloy6061-T6wascarriesoutwithfiniteelementanalysissoftwareAbaqusbybasedonJohnson-Cookconstitutivemodel,andslot-millingexperimentwascarriedoutonaVWC850B5-axisCNCmachiningcenterwiththesamecuttingparameters.Throughcomparisonandanalysis,itisfoundthatthetheoreticalanalysisisconsistentwiththeresultsoffiniteelementsimulationandmillingexperiment.Theexperimentalresultsshowtheaccuracyofthefiniteelementmodel,itcanbeusedforothermaterialsandprocessingparametersforoptimizationandprediction,whichhasguidingsignificancetotheactualproductionpractice.

6061-T6aluminumalloy;finiteelementanalysis;millingforce;millingtemperature;constitutivemodel

1001-2265(2016)12-0042-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.012

2016-01-21;

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金(51205219)；中國博士后科學(xué)基金(2013M532034)

張玉騰(1990—)，男，山東曲阜人，青島理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殇X合金高速加工與仿真，(E-mail)648628420@qq.com。

TH162;TG

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