铝合金ZL109加工中切削温度有限元分析

2019-09-10余娜

河南科技 2019年1期

余娜

摘要：铝合金ZL109作为活塞常用材料，切削温度对其性能有重要影响。本文通过Deform-3D有限元软件模拟了铝合金ZL109的切削加工过程，研究了不同加工参数对铝合金ZL109切削温度的影响，为铝合金ZL109实际加工过程中切削温度的预测提供了理论依据。

关键词：铝合金ZL109;切削加工;有限元;切削温度

中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0029-02

Finite Element Analysis of Cutting Temperature in Aluminum

Alloy ZL109 Machining

YU Na

（Yangling Vocational & Technical College，Xianyang Shaanxi 712100）

Abstract： As a common used piston material， the cutting temperature of aluminium alloy ZL109 has an important influence on its performance. In this paper， the cutting process of aluminum alloy ZL109 was simulated by Deform-3D finite element software. The influence of different cutting parameters on the cutting temperature of aluminum alloy ZL109 was studied， which provided a theoretical basis for the prediction of cutting temperature during the actual machining process of aluminum alloy ZL109.

Keywords： aluminum alloy ZL109;machining;the finite element method;cutting temperature

切削溫度是影响材料加工质量及加工精度的重要因素。近年来，许多学者都对切削温度进行了研究[1，2]。本文通过Deform-3D有限元软件模拟了铝合金ZL109的切削加工过程，研究了不同加工参数对铝合金ZL109切削温度的影响。

1 铝合金ZL109切削有限元仿真模型的建立

建立有限元仿真模型时，考虑材料的应力应变关系，采用的应力应变本构方程为[3]：

[σ=Deε] （1）

式中，[σ]为应力;[De]为弹性矩阵;[ε]为应变。

由于J-C模型[3]能更接近材料加工过程中的热变形行为，故将J-C模型引入有限元模型中，J-C材料屈服应力表达式如下[4]：

[σ=A+Bεn1+Clnεε01-Tm] （2）

式中，[σ]表示应变率不为零时的屈服应力值;[ε]表示为等效塑性应变;[ε]表示等效塑性应变率;[ε0]表示参考应变率;[Tm]表示材料的熔点;A、B、C表示在温度未超过转变温度时测得的材料参数值。

考虑上述因素后，在Deform-3D软件中建立铝合金ZL109切削有限元模型，并进行模拟切削，模型中的进给量为f，背吃刀量[ap]，切削速度为v，建立模型如图1所示。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image17.png>

图1 铝合金ZL109切削有限元模型

2 切削温度仿真结果分析

对有限元切削模拟过程中的切削温度进行结果分析，可得铝合金ZL109加工过程中内部温度分布，如图2和图3所示。图2（a）和图2（b）为f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=100m/min时铝合金ZL109内部温度的二维图和三维图。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼]Y00304UX8A0]～LRM$QI4[L.png>[0 0.5 1 1.5 2][切削速度方向x（mm）][2

1.5

0.5

0][深度方向z（mm）]

（a）温度分布的二维图

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼2H1MB0OTWCQK9HAN2IERX_H.png>[深度方向z（mm）][x方向（mm）][温度T（°C）][150][100][50][2][1.5][1][0.5][0][0][0.5][1][1.5][2]

（b）温度分布三维图

图2 铝合金ZL109内部温度分布

（f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=100m/min）

从图2可以看出，在加工铝合金ZL109的过程中，靠近铝合金ZL109表面的温度较其内部温度有大幅度增加，因此，在加工过程中，温度较高的区域在靠近工件表层附近。

图3（a）为f=0.2mm/r，[ap]=0.4mm，v=300m/min时铝合金ZL109内部温度二维图，图3（b）为相应加工情况下铝合金ZL109内部温度三维图。

对比图2和图3可以看出，在加工铝合金ZL109的过程中，保持f和[ap]不变，v增大，对应的切削温度也会升高，且温度最高的区域在刀尖处。这主要是因为v增大会引起剪切应力的增大，从而导致温度升高。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼72TJWWUOHO2M8（G（）LNM～X5.png>[切削速度方向x（mm）][深度方向z（mm）][2

1.5

0.5

0][0 0.5 1 1.5 2]

（a）温度分布二维图

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼4WPBD[GXHLJ5{E0A@5SPN]9.png>[深度方向z（mm）