高崇金，皮云云

順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院

1 引言

當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸處于亞微米級時，金屬會表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能。由于超細(xì)晶材料的優(yōu)越性，在航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。大塑性變形法(SPD)可制備超細(xì)晶材料，如等徑角擠壓[2]、高壓扭轉(zhuǎn)[3]和循環(huán)擠壓[4]等傳統(tǒng)大塑性變形法。切削法[5]也是大塑性變形法，不同于傳統(tǒng)大塑性變形法，其工藝相對簡單，并且具有加工過程中參數(shù)可控和無需專用設(shè)備等特點。將傳統(tǒng)切削與擠壓相結(jié)合的大應(yīng)變擠出切削技術(shù)(LSEM)[6]除了具備切削法的優(yōu)點外，還可獲得形貌規(guī)整的切屑，因此近年來得到眾多專家學(xué)者的關(guān)注和研究。

大應(yīng)變擠出切削可制備出納米結(jié)構(gòu)的商業(yè)純鈦和超導(dǎo)電無氧銅，相比普通方法制備的鈦和銅有更好的耐磨性[7]。Xiaolong Bai等[8]對6013-T6鋁合金進行了大應(yīng)變擠出切削實驗，發(fā)現(xiàn)切屑表面的晶粒尺寸小于內(nèi)部。Daniel R. Klenosky等[9]討論了二次剪切效應(yīng)在擠出切削中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)切削速度和切屑厚度比影響二次剪切區(qū)。殷曉龍[10]進行了大應(yīng)變擠出切削有限元模擬仿真研究，發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率和等效應(yīng)力隨著刀具前角的增大而減小，且切屑的形成受壓縮比的影響。殷曉龍等[11，12]提出了低溫大應(yīng)變擠出切削，并將獲得的切屑與室溫大應(yīng)變擠出切削制備的切屑進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低溫大應(yīng)變擠出切削的7075鋁合金切屑形貌更規(guī)整，且表面硬度高于常溫下制備的切屑。在現(xiàn)有大應(yīng)變擠出切削有限元仿真分析中，刀刃均設(shè)為鋒刃，即切削刃半徑近似為零。

在傳統(tǒng)切削中，當(dāng)?shù)毒咔邢魅袨榈估鈺r，切削合力隨倒棱負(fù)前角的增大先減小后增大，并隨倒棱寬度的增大而增大[13]。LSEM加工過程中，由于限制刀具的作用，故不同于傳統(tǒng)切削。為了研究刀具切削刃變化對LSEM的影響，選定主刀具切削刃為倒棱結(jié)構(gòu)。選擇Deform 2D軟件為有限元仿真軟件，通過建立LSEM有限元模型實現(xiàn)加工模擬仿真。主刀具為倒棱切削刃時，研究了有限元仿真過程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率等熱力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，為后續(xù)的實驗研究打下堅實基礎(chǔ)。

2 大應(yīng)變擠出切削有限元模型

2.1 大應(yīng)變擠出切削原理

圖1為LSEM原理，組合刀具包括主刀具和限制刀具兩部分。LSEM加工時，主刀具切出切屑，切屑通過主刀具和限制刀具組成的通道被擠出，從而形成形貌規(guī)整的切屑帶材。

在LSEM加工過程中，切屑內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)變可用ε表示[14，15]，為

(1)

式中，λ和α0分別為切削厚度壓縮比和刀具前角，λ=tch/td，tch和td分別為切屑厚度和切削層厚度。

由此可知，大應(yīng)變擠出切削過程中，ε的大小受切削厚度壓縮比λ和刀具前角α0的影響。

圖1 大應(yīng)變擠出切削原理

2.2 本構(gòu)模型和刀具材料

6061鋁合金因密度低及綜合性能高等特點，被大量應(yīng)用于汽車、船舶和航空航天等領(lǐng)域[16]。但國內(nèi)大部分高端鋁合金材料仍然依靠國外進口，因此國內(nèi)迫切需要自主創(chuàng)新，開發(fā)出高端鋁合金材料。工件材料選用6061鋁合金，研究刀具參數(shù)對大應(yīng)變擠出切削過程中切屑帶材的影響，刀具材料設(shè)為硬質(zhì)合金，6061鋁合金本構(gòu)模型選用Johnson-Cook模型，表達式為

(2)

2.3 刀屑摩擦模型

LSEM中主刀具前刀面和限制刀具后刀面分別與切屑的兩個不同面接觸并摩擦。有限元仿真過程中，為了提高仿真效率，將兩處摩擦均簡化為庫倫摩擦，并將摩擦系數(shù)μ設(shè)為0.5。

2.4 建立有限元模型

為了節(jié)省計算時間，將LSEM有限元模型簡化為二維正交切削模型。在建立LSEM有限元模型時，將工件材料設(shè)為塑性體，主刀具和限制刀具設(shè)為剛體。工件尺寸為50mm×10mm(長×寬)，工件速度設(shè)為零，主刀具和限制刀具向左水平移動，速度為vc。主刀具、限制刀具和工件的部分邊界有熱交換現(xiàn)象(紅色線條)。根據(jù)現(xiàn)有研究經(jīng)驗[10]，設(shè)切削速度vc=92mm/s，切削層厚度td=0.5mm，切屑厚度壓縮比λ=1.2，主刀具前角和后角分別設(shè)為15°和5°，限制刀具前角和后角分別設(shè)為-15°和5°。圖2為LSEM網(wǎng)格模型。

圖2 二維有限元網(wǎng)格模型

3 有限元仿真方案

倒棱也稱負(fù)倒棱，是沿著切削刃磨出負(fù)前角的窄棱面，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主刀具切削刃負(fù)倒棱結(jié)構(gòu)

倒棱可以增強切削刃，提高刀具耐用度。為磨出合理的倒棱，需合理選擇棱邊寬度和負(fù)前角大小，此負(fù)前角不同于刀具前刀面的負(fù)前角。相關(guān)資料指出[17]，棱邊寬度一般取bγ1=0.3～0.8f，負(fù)前角取γ01=-10°～-15°。改變主刀具切削刃棱邊寬度和負(fù)前角，分析其對LSEM有限元仿真過程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率和等效應(yīng)力等的影響。倒棱負(fù)前角和棱邊寬度取值分別見表1和表2。

表1 倒棱負(fù)前角

表2 倒棱的棱邊寬度

4 有限元仿真結(jié)果分析

4.1 倒棱負(fù)前角的影響

倒棱負(fù)前角取不同值時，LSEM有限元仿真過程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力和溫度的分布結(jié)果見圖4。圖5為倒棱負(fù)前角對最大等效應(yīng)變、最大等效應(yīng)變率、最大等效應(yīng)力和最高溫度的影響。

4.1.1 倒棱負(fù)前角對等效應(yīng)變的影響

圖4a為等效應(yīng)變分布，各等效應(yīng)變呈帶狀分布。主刀具前刀面和切屑接觸區(qū)域可觀察到最大等效應(yīng)變。由于限制刀具始終與切屑背面接觸，因此接觸處的等效應(yīng)變也較大。分析認(rèn)為，在主刀具和限制刀具的共同作用下，切屑內(nèi)部的塑性變形相比傳統(tǒng)切削更大，為晶粒細(xì)化提供了有利條件。

(a)等效應(yīng)變分布

圖5a為最大等效應(yīng)變曲線，最大等效應(yīng)變隨負(fù)倒棱前角(絕對值)的增大而增大。這說明在最佳倒棱負(fù)前角取值范圍內(nèi)，增大負(fù)前角能增大切屑內(nèi)的塑性變形，更有利于細(xì)化材料晶粒。

4.1.2 倒棱負(fù)前角對等效應(yīng)變率的影響

圖4b為等效應(yīng)變率分布?？芍?，各等效應(yīng)變率呈窄帶狀分布，且主要分布在第一變形區(qū)，集中在主刀具切削刃處。圖5b為最大等效應(yīng)變率曲線圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大等效應(yīng)變率隨倒棱負(fù)前角(絕對值)的增大而增大。當(dāng)?shù)估庳?fù)前角為-15°時，最大等效應(yīng)變率為1420/s。跟傳統(tǒng)大塑性變形加工相比(應(yīng)變率一般小于1000/s)，LSEM方法更優(yōu)。

4.1.3 倒棱負(fù)前角對等效應(yīng)力和溫度的影響

圖4c和圖4d分別為等效應(yīng)力和溫度分布?？芍?，各等效應(yīng)力和溫度均呈帶狀分布。圖5c和圖5d為最大等效應(yīng)力和最高溫度曲線變化，當(dāng)?shù)估庳?fù)前角在-10°～-15°時，最大等效應(yīng)力曲線和最高溫度曲線變化很小，可以忽略不計。說明倒棱負(fù)前角的變化對最大等效應(yīng)力和最高溫度的影響很小。

(a)

4.1.4 倒棱負(fù)前角對切削力的影響

圖6a和圖6c分別為倒棱負(fù)前角取不同值時的主切削力曲線和進給抗力曲線。

可以看出，各主切削力曲線幾乎同時進入穩(wěn)態(tài)波動，各進給抗力曲線也幾乎同時進入穩(wěn)態(tài)波動。由于倒棱負(fù)前角為-10°～-15°，相鄰兩值相差很小，故各主切削力曲線的變化也很小，幾乎重疊在一起，難以辨清。隨著倒棱負(fù)前角(絕對值)的增大，進入穩(wěn)態(tài)波動后的平均主切削力略微增加(見圖6b)。與主切削力曲線相比，各進給抗力曲線分離，可以較清楚地辨別出三條進給抗力曲線。平均進給抗力隨倒棱負(fù)前角(絕對值)的增大而增大，變化效果明顯大于平均主切削力的變化(見圖6d)。由此可知，當(dāng)負(fù)前角過大時，切削力會增大，切削難度增加，刀具磨損加劇，因此應(yīng)根據(jù)實際需要選定合理的倒棱負(fù)前角。

(a)

4.2 倒棱棱邊寬度的影響

圖7為改變棱邊寬度時，等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力和溫度的分布結(jié)果。

(a)等效應(yīng)變分布

4.2.1 棱邊寬度對等效應(yīng)變的影響

根據(jù)圖7a可知，棱邊寬度不同時，LSEM有限元仿真過程中的等效應(yīng)變均呈帶狀分布，應(yīng)變主要集中于切屑和已加工表面。在主刀具與切屑接觸區(qū)域可觀察到最大等效應(yīng)變。相比傳統(tǒng)切削，由于加入了限制刀具，故在限制刀具和切屑接觸區(qū)也可觀察到相對較大的等效應(yīng)變。由圖8a可以看出，最大等效應(yīng)變值隨倒棱寬度的增大而增大，說明倒棱結(jié)構(gòu)的主刀具切削刃使LSEM有限元仿真過程產(chǎn)生較大的等效應(yīng)變，且最小的最大等效應(yīng)變值為4.74，最大等效應(yīng)變的最大值達6.63，遠(yuǎn)大于主刀具切削刃為鋒刃時產(chǎn)生的最大等效應(yīng)變。與倒棱負(fù)前角對等效應(yīng)變的影響相比，棱邊寬度的變化對LSEM有限元仿真過程的影響效果更明顯。分析認(rèn)為，由于棱邊寬度的增加，倒棱與工件材料的接觸面積也增加，增加了切削難度，提高了擠壓效果，因此等效應(yīng)變變化更大。

4.2.2 棱邊寬度對等效應(yīng)變率的影響

圖7b為等效應(yīng)變率分布，當(dāng)棱邊寬度變化時，所有等效應(yīng)變率都呈窄帶狀分布，且主要分布在第一變形區(qū)，并集中在主刀具切削刃處。當(dāng)棱邊寬度在0.15～0.25mm內(nèi)時，最大等效應(yīng)變率略微增加，但增量很少；當(dāng)棱邊寬度取0.4mm時，最大等效應(yīng)變率值發(fā)生突變(見圖8b)。觀察等效應(yīng)變率分布可以發(fā)現(xiàn)，在倒棱寬度1/2處，其等效應(yīng)變率值僅100/s左右，說明此處材料流動非常緩慢，隨著倒棱寬度的增加，其影響范圍逐漸擴大。分析認(rèn)為，增加倒棱棱邊寬度不利于材料的相對流動，阻礙了切屑順利擠出，因此實際應(yīng)用時棱邊寬度取值不宜太大。

(a)

4.2.3 棱邊寬度對等效應(yīng)力和溫度的影響

圖7c和圖7d分別為等效應(yīng)力和溫度分布，所有等效應(yīng)力和溫度分布均呈帶狀分布。如圖8c和圖8d所示，當(dāng)?shù)估饫膺厡挾葹?.15～0.40mm時，最大等效應(yīng)力和最高溫度變化很小，幾乎可以忽略不計。結(jié)果表明，棱邊寬度的變化對等效應(yīng)力和最高溫度影響很小，與負(fù)前角的影響相似。

4.2.4 棱邊寬度對切削力的影響

圖9a和9c為主切削力和進給抗力的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，各主切削力和進給抗力曲線進入穩(wěn)態(tài)波動的時間幾乎完全相同。隨著棱邊寬度增大，主切削力曲線幾乎堆疊在一起，難以辨別。與主切削力曲線相比，各棱邊寬度的進給抗力曲線清晰可辨。圖9b和圖9d分別為主切削力和進給抗力穩(wěn)態(tài)波動范圍內(nèi)的平均值，平均主切削力和進給抗力都隨著棱邊寬度的增大而增大。通過對比發(fā)現(xiàn)，平均進給抗力的增加效果更明顯。當(dāng)棱邊寬度為0.4mm時，平均主切削力為370N，與最小值相差30N，平均進給抗力為150N，與最小值相差69N，是30N的2倍多。因此，棱邊寬度的變化對進給抗力的影響更大。

(a)

5 結(jié)語

本文建立了LSEM有限元仿真模型，通過改變倒棱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計了有限元仿真方案，并進行了模擬仿真，詳細(xì)研究了主刀具刀刃倒棱負(fù)前角和棱邊寬度變化對等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力、溫度和切削力的影響。

(1)當(dāng)?shù)估庳?fù)前角變化時，等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率、等效應(yīng)力和溫度始終呈帶狀分布。最大等效應(yīng)變值隨著倒棱負(fù)前角(絕對值)的增大而增大。最大等效應(yīng)變率也隨著倒棱負(fù)前角(絕對值)的增大而增大，并在-10°時激增至1420/s。倒棱負(fù)前角變化時，最大等效應(yīng)力和最高溫度的變化很小，幾乎可以忽略不計。主切削力和進給抗力隨著倒棱負(fù)前角(絕對值)的增大而減小，與主切削力相比，進給抗力的減小效果更明顯。

(2)當(dāng)?shù)估饫膺厡挾茸兓瘯r，等效應(yīng)變等熱力學(xué)參數(shù)也呈帶狀分布。最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)變率隨著棱邊寬度的增大而增大，且最大等效應(yīng)變的最小值為4.74，最大值達6.63，并且可使切屑內(nèi)塑性變形增大，促進晶粒細(xì)化。棱邊寬度的變化對最大等效應(yīng)力和最高溫度的影響也很小，可忽略不計。隨著棱邊寬度尺寸的變大，主切削力和進給抗力都表現(xiàn)出增大的趨勢，但進給抗力增速更快。