謝黎明, 董情焱, 靳 嵐

(蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

7050鋁合金具有強度高、耐剝落腐蝕性強、斷裂韌性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、模具加工、工裝卡具等領(lǐng)域。在切削加工過程中，由于機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用，在工件已加工表面會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是衡量工件表面質(zhì)量的主要指標(biāo)之一[1-3]。研究表明，殘余拉應(yīng)力會降低工件的疲勞強度，易使工件表面產(chǎn)生裂紋，從而減少工件的使用壽命，殘余壓應(yīng)力在一定范圍內(nèi)可以提高工件的疲勞強度[4-6]。因此，對已加工表面殘余應(yīng)力的大小和分布進(jìn)行研究，通過提高工件表面的殘余壓應(yīng)力、減小殘余拉應(yīng)力，從而提高工件的表面質(zhì)量和使用壽命具有重大意義。

本文運用AdvantEdge軟件，對7050鋁合金，采用單一變量法研究切削參數(shù)對工件表面殘余應(yīng)力及切削溫度的影響規(guī)律，以期能對7050鋁合金的切削加工起指導(dǎo)作用。

1 有限元模型的建立

1.1 材料本構(gòu)模型的建立

Johnson-Cook材料模型是金屬切削過程中研究高應(yīng)變率和溫度效應(yīng)的最常見的本構(gòu)模型，能夠處理復(fù)雜的多元非線性問題，與許多金屬材料的變形問題都高度一致[7],具體模型表示如下:

(1)

本文研究的7050鋁合金材料的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)見表1[8]。

表1 7050 Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

1.2 材料斷裂準(zhǔn)則

依據(jù)材料本構(gòu)方程決定的Johnson-Cook物理分離準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)都馇皢卧形锢砹康闹郸爻^了給定材料對應(yīng)的值時(ω>1)，單元節(jié)點就會分離，切屑就開始形成[9]。

(2)

1.3 刀具和工件的模型建立及網(wǎng)格劃分

AdvantEdge 軟件具有自動劃分網(wǎng)格的功能，在刀具-工件接觸的一定區(qū)域內(nèi)對刀具和工件進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，從而減少了模擬時間，增加了模擬仿真的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格在模擬仿真過程中不斷重新劃分，以防止由于網(wǎng)格發(fā)生大的畸變而造成模擬仿真終止。

本文選用的刀具為硬質(zhì)合金刀具，刀具前角為5°、后角為10°，刀具刃口半徑為0.02mm；工件長5mm、高2mm，工件材料為7050鋁合金，刀具和工件的最小網(wǎng)格尺寸和最大網(wǎng)格尺寸分別為0.02mm、0.10mm，網(wǎng)格等級參數(shù)為0.4，網(wǎng)格粗化系數(shù)和細(xì)化系數(shù)分別選用軟件默認(rèn)值6和2，刀具件-工摩擦系數(shù)為0.5。建立二維車削模型如圖1所示。

圖1 切削模型

在模擬切削加工的過程中，刀具是靜止的，工件以一定的速度沿切削方向運動，運動速度即切削速度。

2 切削過程模擬及結(jié)果分析

2.1 切削參數(shù)的確定

根據(jù)《機械加工工藝手冊》[10],本文研究單因素參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，因此設(shè)計如表2所示的參數(shù)組合。

表2 仿真參數(shù)組合

2.2 表面殘余應(yīng)力的提取

AdvantEdge軟件在后處理中自帶殘余應(yīng)力提取功能，本文在已加工工件表面的1/2處，沿徑向研究殘余應(yīng)力的大小和變化規(guī)律。

2.3 背吃刀量對殘余應(yīng)力的影響

切削速度為550m/min,進(jìn)給量為0.12mm/r,背吃刀量分別為0.08mm、0.10mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm，其他條件不變時，得到的不同背吃刀量下殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及切削溫度的變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 背吃刀量對工件表面殘余應(yīng)力的影響

圖3 切削溫度隨背吃刀量的變化曲線

由圖2、圖3可以看出，當(dāng)背吃刀量由0.08mm增大到0.16mm時，工件表層的殘余壓應(yīng)力的絕對值呈減小趨勢，殘余應(yīng)力層的厚度略微增加，而亞表層的殘余壓應(yīng)力的最大值及位置基本不變，殘余應(yīng)力的變化規(guī)律基本保持一致。切削溫度隨著背吃刀量的增加呈增大趨勢，背吃刀量由0.08mm增加到0.12mm時溫度增幅較大，之后隨著背吃刀量的增加溫度的增幅明顯減小。

由分析可知，由于切削深度的增加，刀具對工件材料表面的擠光效應(yīng)增強；切削深度增加，切屑厚度也隨之增加，切削帶走的熱量也增多，熱應(yīng)力對工件亞表層的殘余應(yīng)力影響很小，而對表層殘余應(yīng)力的影響較大，因此工件表層的殘余壓應(yīng)力的絕對值減小。

2.4 切削速度對殘余應(yīng)力的影響

由圖4、圖5可以看出,當(dāng)進(jìn)給量為0.30mm/r，背吃刀量為0.3mm，切削速度由490mm/min增大到610mm/min，其他條件不變時，表層最大殘余壓應(yīng)力的絕對值明顯減小，深度略有增加，亞表層最大殘余拉應(yīng)力的變化沒有明顯的規(guī)律，分布深度基本保持不變；隨著切削速度的增加，切削溫度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。

圖4 切削速度對工件表面殘余應(yīng)力的影響

圖5 切削溫度隨切削速度的變化曲線

研究表明,在對7050鋁合金進(jìn)行切削的過程中，隨著切削速度的增加，切削力呈現(xiàn)出波動變化，但波動幅度不大。隨著切削速度的增加，切削溫度先增加，是由于隨著切削速度的增加，單位時間內(nèi)金屬的去除量增加，消耗的功率變大；當(dāng)切削速度超過“死谷”范圍后，切削溫度降低，切削力也會隨之下降。此時工件表層的殘余應(yīng)力主要受機械應(yīng)力影響，又因為隨著切削速度的增加，溫度的增幅下降，故工件表層的殘余壓應(yīng)力的絕對值呈現(xiàn)減小的趨勢。

2.5 進(jìn)給量對殘余應(yīng)力的影響

由圖6,7可以看出,當(dāng)切削速度為550mm/min,背吃刀量為0.12mm,進(jìn)給量由0.20mm/r增大到0.40mm/r，其他條件不變時，表層殘余壓應(yīng)力的絕對值明顯增大，其所在位置基本保持不變；亞表層的殘余拉應(yīng)力的值也呈增大趨勢，其所在位置有所變動，但基本保持在0.2mm附近；進(jìn)給量由0.25mm/r增大到0.40mm/r時，切削溫度雖然呈增大趨勢，但是增幅較小。

圖6 進(jìn)給量對工件表面殘余應(yīng)力的影響

圖7 切削溫度隨進(jìn)給量變化曲線

由分析可知，由于進(jìn)給量的增加，切削力和切削溫度都增大，且切削力在表層產(chǎn)生的機械應(yīng)力對殘余應(yīng)力的影響較大，因此表現(xiàn)為表面殘余壓應(yīng)力的絕對值增大，而隨著深度的增加，機械應(yīng)力對殘余應(yīng)力的影響變小，由流入工件的切削熱對殘余應(yīng)力的影響起主要作用，從而表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力的增加。

3 結(jié)論

本文利用有限元軟件AdvantEdge對7050鋁合金材料切削加工過程進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1)由于7050鋁合金的熱傳導(dǎo)率(ε=175W/(m·K))較大,因此在切削加工過程中產(chǎn)生的熱量除了被切屑帶走、傳入刀具、散失到空氣中外，與其他熱傳導(dǎo)率低的金屬材料相比，流入工件的熱量較多，因此在工件表層機械應(yīng)力起主要作用，從而表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，亞表層的殘余應(yīng)力由流入工件的熱應(yīng)力決定，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

2)進(jìn)給量對工件的殘余應(yīng)力影響較大，進(jìn)給量增大，工件表層的殘余壓應(yīng)力增大較為明顯，亞表層的殘余拉應(yīng)力也有增大的趨勢，但與增大的殘余壓應(yīng)力相比，其增幅較?。磺邢魉俣葘堄鄳?yīng)力的影響次之，隨著切削速度的增加，工件表層的最大殘余壓應(yīng)力的絕對值減小，亞表層的最大殘余壓應(yīng)力沒有明顯的變化規(guī)律；背吃刀量對工件的殘余應(yīng)力的影響最小。

3)隨著切削參數(shù)的改變，工件表層的最大殘余壓應(yīng)力深度位置基本在0.05mm～0.08mm范圍內(nèi)，亞表層的最大殘余拉應(yīng)力深度在0.20mm～0.23mm范圍內(nèi)，可見切削參數(shù)的改變對最大殘余應(yīng)力的位置影響較小；隨著背吃刀量或進(jìn)給量的增加，切削溫度都呈上升趨勢，且增加幅度逐漸減小，隨著切削速度的增加，切削溫度先上升后減小。