6061鋁合金超精密切削仿真與實驗研究

王海龍，王素娟

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點實驗室，廣東 廣州 510006）

1 引言

6061鋁合金（Al6061）是一種可進行熱處理的Al-Mg-Si系合金，通過金剛石超精密切削Al6061可獲得納米級表面精度，廣泛應用于航天、化工、汽車制造、光學器件等領域。金剛石超精密切削Al6061 技術(shù)的研究成為熱點，如切削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響［1-3］、材料特性對切削表面質(zhì)量的影響［4-7］、材料特性對金剛石刀具磨損的影響［8］等研究取得了一定的成果。由于在線檢測技術(shù)無法動態(tài)監(jiān)測超精密切削過程中，切削熱和切削生成表面等變化特性，有待進一步完善，切削仿真技術(shù)具有高效、節(jié)能等優(yōu)點，可為實際加工制造生產(chǎn)過程提供理論數(shù)據(jù)支撐，特別是超精密切削過程（切削厚度為微米級）機理，Al6061超精密切削過程屬微切削，材料去除過程可分為可完全恢復的彈性階段、可部分恢復的塑性階段、頸縮或斷裂的損傷階段等三個階段，即材料的彈塑性-損傷發(fā)展過程，科學的材料彈塑性本構(gòu)方程與材料損傷方程是切削仿真的關(guān)鍵。目前，金屬材料彈塑性本構(gòu)方程主要有Johnson-Cook 本 構(gòu) 模 型（J-C）［9-10］、J-C 本 構(gòu) 優(yōu) 化 模 型［11-12］、Zerilli-Armstrong模型，Maewaka模型、Nemat-Nasser模型，以及Power-Law模型［13］，其中最常用的是J-C的本構(gòu)模型。為進一步揭示單晶金剛石超精密切削Al6061機理，選取綜合考慮材料彈塑性、損傷性能的J-C模型為基礎，構(gòu)建Al6061超精密切削過程有限元仿真模型，并與切削加工實驗結(jié)合，研究切削力、切削熱、切削表面質(zhì)量等變化特性。

2 Al6061切削仿真模型

2.1 材料本構(gòu)模型

2.1.1 彈塑性本構(gòu)方程

Al6061本構(gòu)模型采用J-C彈塑性本構(gòu)方程，方程包含影響流動應力的應變硬化效應、應變率效應與溫度效應等因素參數(shù)，表達式，如式（1）所示。

式中：σ—材料應力；A—準靜態(tài)條件下屈服強度；B—材料應變硬化參數(shù)；εp—材料等效塑性應變；n—材料應變硬化指數(shù)；C—材料應變率強化參數(shù)；ε?—材料等效塑性應變率；ε?0—材料參考應變率；T0—常溫值；Tmelt—熔點；m—材料熱軟化參數(shù)。

2.1.2 材料損傷力學方程

Al6061損傷力學模型采用J-C材料斷裂準則，綜合考慮了材料應力三軸度，應變、應變率和溫度對材料失效影響，如式（2）所示。積分過程中等效應變增量Δεf等于失效應變，即D=1時，材料斷裂，Δεf可由式（3）計算。

式中：D1、D2、D3、D4、D5—方程擬合系數(shù)；η—應力三軸度。

2.2 Al6061超精密切削有限元模型

基于Abaqus 構(gòu)建不考慮6061 鋁合金材料中雜質(zhì)與二次相的二維Al6061超精密切削有限元模型（Al6061 FEM），Al6061與金剛石材料物理性能參數(shù)［14-15］，如表1所示。以及Al6061材料的J-C彈塑性、損傷本構(gòu)方程的系數(shù)［14］，如表2所示。Al6061 FEM，如圖1所示。網(wǎng)格單元類型為C3D8RT的六面體單元，網(wǎng)格劃分利用sweep掃掠網(wǎng)格劃分法，模型總單元網(wǎng)格量為11027。

圖1 Al6061超精密切削有限元模型Fig.1 FEM of Ultra-Precision Cutting Al6061

表1 材料物理性能參數(shù)（20℃）Tab.1 Physical Properties Parameters of Materials（20℃）

表2 Al6061 J-C彈塑性本構(gòu)方程和J-C損傷本構(gòu)方程參數(shù)Tab.2 The Parameters of J-C Elastoplasticity Constitutive Equation and J-C Damage Constitutive Equation of Al6061

3 Al6061切削實驗

利用摩爾機床（型號：Moore 350FG）進行金剛石超精密切削Al6061實驗，刀尖半徑、前角、后角分別為2.06mm、0℃、10℃，切削深度為2μm，切削速度為500mm/min。利用Kistler 力測試儀（信號處理儀型號：5080，力傳感器型號：9256C）對超精密切削力進行測試，切削方向為Y軸方向，Y軸運動，X軸與C軸不動，設備布置與加工現(xiàn)場，如圖2所示。

圖2 Al6061超精密切削實驗Fig.2 Experiment of Ultra-Precision Machined Al6061

4 有限元計算與實驗結(jié)果分析

4.1 Al6061 FEM仿真計算有效性驗證

根據(jù)Al6061 超精密切削實驗環(huán)境參數(shù)與加工參數(shù)設置Al6061 FEM 切削參數(shù)進行仿真計算，其中切削參數(shù)設置切深2μm，切削速度500mm/min，環(huán)境溫度為20℃時計算過程，如圖3所示。單晶金剛石超精密切削6061過程中，切削形態(tài)掃描電鏡測試（SEM，型號：TM3030），如圖3 所示。實驗切削力與Al6061 FEM計算的切削力對比，如圖4所示。

圖3 Al6061 切屑形態(tài)計算與SEM分析Fig.3 Calculation and SEM of Chip Morphology of Al6061

圖4 實驗測試與有限元計算切削力對比Fig.4 Comparison of Cutting Force Between Experimental and FEM

由圖3可知，鋸齒形切屑層疊在一起，仿真計算的切屑形態(tài)也呈現(xiàn)鋸齒形（圖3（a）I區(qū)），與實際切削形態(tài)比較吻合（圖3（b））。由圖4可知，仿真計算切削力與測試切削力在0.2N附近波動，兩者均值誤差為約2%，其中，計算切削力受切屑形態(tài)影響，隨單個鋸齒形成過程先增加后減小，呈周期變化；實驗切削力波動范圍較大，由圖4（a）中切削力I區(qū)對應的切削表面形貌可知，切削力主要受Al6061材料不均勻性的影響，如Al6061中的雜質(zhì)、二次相的粒徑和數(shù)量分布等因素。

4.2 切削表面質(zhì)量

由圖3可知，同樣加工參數(shù)條件下，Al6061 FEM計算的切屑分離層并非是同一層的單元網(wǎng)格，切削表面出現(xiàn)單元格損傷縮頸變形和塑性恢復變形（圖3（a）II區(qū)），兩者綜合作用生成切削表面質(zhì)量。而Al6061超精密切削表面掃描電鏡測試，如圖5所示。切削表面質(zhì)量受材料的回彈特性以及與刀具后刀面的摩擦特性，以及材料中雜質(zhì)、二次相顆粒等因素影響。

圖5 Al6061切削生成表面Fig.5 Cutting Surfaces of Al6061

4.3 切削熱

金剛石超精密切削Al6061過程中，切削深度為微米級，切削生成熱較少，且迅速傳導至Al6061基體，現(xiàn)有傳感器技術(shù)進行切削熱測試技術(shù)（如熱電偶、紅外、熱成像等）較難實時進行在線監(jiān)測，Al6061 FEM仿真計算可演示超精密切削熱生成過程，設置仿真計算邊界條件為切削深度為2μm，切削速度為500mm/min，計算結(jié)果，如圖6所示?？芍?，Al6061超精密切削過程，切削生成熱較少，切削熱主要由Al6061切屑層擠壓變形作用產(chǎn)生，切屑與前刀面、加工面與后刀面摩擦生熱量相對較小，且切削生成熱由擠壓變形區(qū)域向四周擴散。

圖6 切削熱變化Fig.6 Changes of Heat in Ultra-Precision Machined Al6061

5 結(jié)論

基于Al6061切削仿真計算與切削加工實驗相結(jié)合，研究單晶金剛石超精密切削Al6061切削力、切屑形態(tài)、切削表面質(zhì)量、切削熱等參數(shù)變化特性，主要結(jié)論如下：

（1）單晶金剛石切削Al6061過程中，切屑為鋸齒形層層疊加在一起，通過Al6061超精密切削有限元模型計算分析，同樣加工參數(shù)條件下，計算的切屑形態(tài)也呈現(xiàn)鋸齒形。

（2）Al6061 FEM超精密切削有限元模型計算的切削力受切屑形態(tài)的影響，隨單個鋸齒形成過程先增加后減小，呈周期變化；同樣切削參數(shù)條件下，實驗切削力波動范圍較大，主要受Al6061材料不均勻性的影響，如Al6061中的空穴、雜質(zhì)以及二次相的粒徑和數(shù)量分布等因素。

（3）Al6061 FEM 超精密切削有限元模型計算過程中，切削表面出現(xiàn)單元格損傷縮頸變形和塑性恢復變形，兩者綜合作用生成切削表面質(zhì)量；而實際切削生成表面受材料的回彈特性以及與刀具后刀面的摩擦特性，以及材料中雜質(zhì)、二次相顆粒等因素影響。

（4）切削熱主要受Al6061切屑層擠壓變形作用產(chǎn)生，切屑與前刀面以及加工面與后刀面摩擦生熱量相對較小。