車削加工鋁合金211z.1剪切角試驗研究*

劉 勇，何 林,2，肖 玉

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

0 引言

剪切角是剪切面和切削速度方向之間的夾角，是表述切削變形的重要參數(shù)。國內(nèi)外很多學(xué)者對切削過程中的剪切角進(jìn)行了大量的研究，著名的有Merchant，Lee-Shaffer，Shaw和Oxley剪切角模型等，隨著研究方法和檢測手段的進(jìn)步，近年來一些學(xué)者對相關(guān)模型進(jìn)行了新的研究和改進(jìn)。Lalwani等[1]用Johnson-Cook材料模型用于Oxley的研究分析，延伸了Oxley的切削力加工預(yù)測理論。Ozel等[2]對前刀面上的應(yīng)力分布進(jìn)行了重新假設(shè)，并改進(jìn)了Dudzinski等考慮慣性力的熱力學(xué)模型。付秀麗等[3]對比研究快速落刀試驗和Merchant剪切角模型得到的剪切角,基于剪切角偏差修正了Merchant剪切角模型,建立了鋁合金7050-T7451高速切削加工的剪切角模型。總的來說，切削模型的研究已經(jīng)從小變形，準(zhǔn)靜態(tài)模型逐漸向高速切削條件下的大應(yīng)變、應(yīng)變率及溫度耦合的力學(xué)模型轉(zhuǎn)變[4]。

鋁合金211z.1[5-6]是我國自主研制的Al-Cu-Mn系高強(qiáng)度鋁合金材料，具有高強(qiáng)度、強(qiáng)塑性、優(yōu)耐熱性以及優(yōu)異鑄造性能，已在高端制造行業(yè)逐步獲得應(yīng)用。關(guān)于新型鋁合金211z.1的切削研究較少，主要分析車削[7]和銑削[8-9]加工工藝參數(shù)對鋁合金211.1切削力、溫度和加工表面質(zhì)量的影響，至今還沒有切削加工對鋁合金211z.1的切削摩擦特性和剪切角方面的研究。因此，本文通過自制的正交切削裝置，分別從理論計算、有限元模擬和實驗測量角度對比研究鋁合金211z.1的剪切角。

1 實驗設(shè)計

采用自制正交切削實驗裝置，通過直角切削實驗，測量主切削力和進(jìn)給抗力，計算切削鋁合金211z.1時的摩擦系數(shù)和摩擦角；通過快速落刀實驗，測量鋁合金211z.1不同切削速度下的剪切角，每組切削參數(shù)均重復(fù)切削測試三次，取其算術(shù)平均值作為實驗值。

設(shè)計的正交切削實驗裝置如圖1所示，圓孔+切槽結(jié)構(gòu)加工之后，圓柱體一次裝夾固定車床卡盤上，加工“柵隔狀”結(jié)構(gòu)，保證直角切削實驗和快速落刀實驗切削環(huán)境的一致性。如圖1b所示，直角切削實驗系統(tǒng)包括通過設(shè)計的專用夾具固定在車床刀架臺上的測力儀和通過U型夾具固定在測力儀上的刀柄，完成主切削力和進(jìn)給抗力的測量，只更換刀片和移動刀柄與柵隔凸起間的相對位置進(jìn)行重復(fù)實驗，保證切削實驗環(huán)境的一致性。如圖1c所示，自制快速落刀實驗裝置利用鋁合金1/8盤面上的圓孔+切槽結(jié)構(gòu)，在切削力作用下，撕裂薄弱部位，含有切屑的基體材料自動脫離，形成切屑根。

(a) 實驗現(xiàn)場照片

(b) 直角切削實驗示意圖 (c) 快速落刀實驗示意圖 圖1 正交切削實驗裝置圖

切削實驗機(jī)床為CA6140車床，最高主軸轉(zhuǎn)速1400r/min；刀具為高速鋼刀具，前角為0°，后角為6°；實驗為干切削，切削寬度ɑw=2mm，切削厚度α=0.1mm；在切削過程中采用Kistler 9257B型測力儀測量切削力。被加工材料211z.1的力學(xué)性能如表1所示[5]。

表1 鋁合金211z.1的力學(xué)性能

由于受到CA6140車床裝夾工件最大直徑的限制，為盡可能的滿足正交切削實驗條件，忽略車削表面曲率的影響，試件外圓直徑盡可能大，鋁合金211z.1制成D=260 mm的圓柱體，機(jī)床轉(zhuǎn)速根據(jù)CA6140車床主軸轉(zhuǎn)速檔位進(jìn)行選取，對應(yīng)的實驗切削速度包括：51、102、163、261、327、457、735、915、1144 m/min。

2 鋁合金211z.1摩擦角測定

在金屬切削過程中，切屑與刀具前刀面之間存在摩擦，前刀面平均摩擦系數(shù)和摩擦角的表達(dá)式為[10]：

(1)

式中，μ是平均摩擦系數(shù)，β是摩擦角，F(xiàn)z是主切削力，F(xiàn)y是進(jìn)給抗力。

利用圖1正交切削實驗裝置測得鋁合金211z.1不同切削速度下的主切削力和進(jìn)給抗力，通過公式(1)計算求得對應(yīng)切削速度下的平均摩擦系數(shù)和摩擦角，如表2所示。

表2 正交切削鋁合金211z.1的切削力和摩擦系數(shù)

3 鋁合金211z.1剪切角研究

3.1 鋁合金211z.1剪切角理論計算

國內(nèi)、外學(xué)者針對剪切區(qū)的計算剪切角模型做了很多研究，被廣泛接受的是基于最小能量原理的Merchant模型和應(yīng)用滑移線場理論的Lee-Shaffer模型[11]，公式如下：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中的β是摩擦角，φ是剪切角，γ0是刀具前角。根據(jù)表2中的摩擦角值，通過式(2)和式(3)計算求得對應(yīng)切削速度下的Merchant計算剪切角和Lee-Shaffer計算剪切角，如表3所示。

表3 公式計算求解剪切角

3.2 剪切角有限元模擬

本文采用金屬切削物理仿真軟件AdvantEdge對鋁合金211z.1的直角切削加工過程進(jìn)行仿真分析研究，網(wǎng)格采用自適應(yīng)重劃分技術(shù)，自動加密被加工區(qū)，加工環(huán)境溫度為20℃，高速鋼刀具前角為0°，后角為6°，刀尖圓弧半徑取AdvantEdge軟件允許的最小值0.02mm，仿真切削速度和刀屑摩擦系數(shù)采用表2中對應(yīng)數(shù)值。被加工材料采用Johnson-Cook本構(gòu)模型[7]：

(4)

表4 鋁合金211z.1的本構(gòu)模型參數(shù)

(a) v=163m/min (b) v=457m/min 圖2 有限元模擬剪切角測量

圖2所示，刀具相對工件切削塑性應(yīng)變云圖，材料網(wǎng)格細(xì)化的狹長區(qū)域為剪切區(qū)，剪切區(qū)與切削速度方向形成的夾角為剪切角，其測量的結(jié)果如表5所示。

表5 鋁合金211z.1有限元模擬仿真及實驗測量剪切角

3.3 鋁合金211z.1剪切角的實驗測量

將快速落刀實驗形成的切屑經(jīng)鑲嵌、拋光和腐蝕，制成金相試樣，根據(jù)工件基體-切削層-切屑之間的相互關(guān)系，將切屑流動方向上的中剖面作為觀測面，測量剪切角[3]，如圖3所示。測得的剪切角結(jié)果，如表5所示。

(a) 切屑根部照片 (b) 角度測量 圖3 實驗剪切角測量(v=915m/min)

3.4 鋁合金211z.1剪切角對比分析

圖4為理論計算、有限元模擬和實驗得到的剪切角結(jié)果的比較，在51m/min～1144m/min切削速度范圍內(nèi)，實驗測量剪切角為27.56°～32.92°，有限元模擬剪切角為24.55°～36.33°，Merchant計算剪切角為29.79°～32.18°，Lee-Shaffer計算剪切角為14.57°～19.37°，理論計算、有限元模擬和實驗得到的剪切角隨速度變化趨勢表現(xiàn)出良好的一致性，Merchant剪切角相對實驗得到的剪切角偏差較小，適用于鋁合金211z.1剪切角的計算，Lee-Shaffer剪切角小于實驗測量剪切角，且偏差較大，這是由于Lee-Shaffer切削分析模型利用滑移線理論分析剪切角，忽略切削加工過程中材料的加工硬化和彈性變形，將其看作是理想的剛塑性體。

圖4 不同方法求解的剪切角比較

鋁合金211z.1剪切角隨切削速度的增大呈逐漸增大趨勢，在51m/min～1144m/min切削速度范圍內(nèi)，Merchant剪切角隨速度的增加趨于平穩(wěn)，略有增加；實驗測量剪切角隨速度變化趨勢分為兩個階段，51m/min～327m/min切削速度范圍內(nèi)，剪切角隨速度的增加迅速升高，在327m/min～1144m/min切削速度范圍內(nèi)，剪切角隨速度的增加趨于平穩(wěn)，略有增加；有限元模擬剪切角隨速度的增大而迅速增大，但在51m/min～327m/min切削速度范圍內(nèi)的增大趨勢大于327m/min～1144m/min切削速度范圍內(nèi)的增大趨勢；Lee-Shaffer剪切角隨速度的增大而增大，但在每個速度值對應(yīng)下的Lee-Shaffer剪切角值都是最小的，且遠(yuǎn)小于其它三種方式得到的剪切角值。

3.5 鋁合金211z.1的Merchant剪切角修正

如圖4所示，Merchant剪切模型與實驗測量值隨速度變化趨勢具有比較好的一致性，但仍然存在剪切角偏差，且剪切角偏差最大可達(dá)2.23°，因此，以實驗測量剪切角為參考標(biāo)準(zhǔn)，把剪切角偏差看作切削速度函數(shù)，將Merchant剪切角公式修正為：

(5)

利用origin8.0軟件，分別建立51m/min～261m/min和327m/min～1144m/min切削速度范圍內(nèi)的基于切削速度的剪切角偏差擬合趨勢曲線，得到偏差修正函數(shù)，建立考慮切削速度和材料性能影響的切削鋁合金211z.1的剪切角公式為：

(6)

如圖5所示，剪切角公式(6)計算得到的剪切角值與實驗測量的剪切角值具有很好的一致性，最大剪切角偏差只有0.53°，說明經(jīng)過修正的剪切角公式可用于鋁合金211z.1的切削加工，可以利用已知的切削速度、刀具前角和通過切削力計算的摩擦角來計算鋁合金211z.1的剪切角。

圖5 新公式計算值和實驗測量的比較

4 結(jié)論

通過以上研究工作，本文研究結(jié)論如下：

(1)自制的快速落刀實驗裝置可以快速有效的得到不同車削參數(shù)下的切屑根，車削圓柱體直徑越大越接近直角切削，該裝置可以用于有關(guān)二維切削研究。

(2)鋁合金211z.1的切削摩擦系數(shù)和摩擦角隨著切削速度的增大而逐步降低，摩擦系數(shù)0.48～0.587，摩擦角25.63°～30.43°。

(3)理論計算、有限元模擬和實驗得到的剪切角隨切削速度變化趨勢表現(xiàn)出良好的一致性，且對應(yīng)不同切削速度時Merchant剪切模型相對實驗剪切角的偏差值最小。

(4)Merchant剪切角修正公式計算值與實驗測量值的最大偏差只有0.53°，表明Merchant剪切修正模型可以用于鋁合金211z.1剪切角計算。