基于J-C本构模型的2A12铝合金高速铣削特性研究

赵家黎, 邵坤鹏, 张盼盼, 代燕霞

(兰州理工大学 机电工程学院, 甘肃 兰州 730050)

在切削加工中,刀具的磨损、工件表面的残余应力、工件表面质量以及工件变形均受切削力的影响.尤其在高速切削加工中,切削力对刀具的磨损、工件表面质量影响更大.因此，研究高速条件下切削参数和刀具角度对切削力的影响具有重要意义.

对切削力的研究通常采用解析法[1-5]和实验法[6-7]，两种方法都需要大量的实验才可以得出力的模型参数,故材料成本和时间成本比较大.近年来随着ABAQUS、ADVANTADGE、ANSYS等有限元软件的发展，切削加工仿真[8-9]成为研究切削加工过程中切削力的一个重要手段.赵云峰、张言中等[10-11]采用有限元软件对AL2024铝合金切削加工过程中切削力的变化、温度的分布等进行了研究,与实验对比一致性比较好.但这些研究都是在常规低速条件下进行的,缺乏对高速切削过程中切削机理的研究.

2A12铝合金作为可热处理的强化铝合金,其强度、硬度低,切削性能良好,是航空航天领域中使用最广泛的铝合金之一[12-13].本文以2A12铝合金为例,针对高速切削加工铝合金过程中切削参数选取优化问题,利用通用有限元软件ABAQUS对2A12铝合金进行高速切削仿真,研究切削速度、切削深度、刀具前角对切削力的影响规律,为高速切削铝合金选择合理刀具几何参数与切削参数提供一种可靠的方法.

1 高速切削2A12铝合金仿真模型的建立

在ABAQUS/CAE模块中建立二维刀具模型和工件模型,工件尺寸为6 mm×2.5 mm,刀具和工件设置为可变形体.工件参与切削部分的网格划分要密,单元类型为CPE4RT,刀尖处网格大小应与工件参与切削部分的网格大小相当,这样划分网格可以提高仿真效率,并且可以避免接触失效和穿透现象.对刀具施加刚体约束,并在参考点上施加一个向左运动的载荷,同时限制工件6个方向的自由度.刀具与工件的接触设定为面对面接触,工件定义切削部分节点为接触面,刀具设定外表面为接触面.需要注意在对刀具和工件进行装配时,工件与刀具应分离,否则仿真将不能顺利进行.工件与刀具模型如图1所示.

图1 仿真模型

1.1 2A12铝合金的J-C本构关系

Johnson-Cook(J-C)本构模型因结构比较简单,参数可以通过霍普金森拉杆实验获取,同时比较适用于高速、高温的切削环境,故经常应用在数值模拟中.J-C本构模型的表达式为[14-15]

(1)

表1 2A12铝合金的J-C本构参数

1.2 2A12铝合金的J-C失效模型

金属切削加工是一个被加工材料参与切削部分不断失效和分离的过程,在失效时处于一个高温、高应变力的条件下,因此选用J-C失效模型进行分析.

(2)

式中：参考应变率取0.01；D1、D2、D3、D4、D5为材料的失效参数,取值[16]如表2所列；εf为失效应变；σ*为应力三轴度.

表2 2A12铝合金的J-C失效参数

2 仿真结果与分析

2.1 切削参数对切削力的影响

为了得到2A12铝合金高速铣削过程中,切削深度和切削速度对切削力的影响规律,采用单因素的方法对2A12铝合金高速切削加工过程进行仿真.分别按照表3和表4所列的参数,研究切削速度和切削深度对切削力的影响规律.

表3 主轴转速单因素参数

表4 切削深度单因素参数

当转速n=4.0 r/min，切削深度ap=0.5 mm,进给速度vf=2.0 m/min时,得到如图2所示的主切削力Fx和切深抗力Fy曲线.仿真开始刀具与工件单元未接触时,切削力为零.随着时间的增加,切削力逐渐增大并且在某一个值附近波动,达到相对稳定的状态.这是由于在切削时，参与切削的单元位移量由零增加到失效位移量的过程中,单元不断地分离,使切削力减小,同时刀具又不断与新的单元接触,使切削力增大,从而导致切削力的高频周期性波动.这一过程与实际切削加工过程中切屑不断形成相符.对比不同条件下的切削力曲线,发现切深抗力Fy都远小于主切削力Fx,可知在切削过程中Fx占主要作用,因此仿真中只考虑主切削力Fx的变化.

图2 切削力仿真曲线

在每一种条件下取曲线稳定的部分,计算出主切削力Fx的均值,得到主切削力随着主轴转速和切削深度变化的曲线，如图3和图4所示.

图3 切削力随转速变化曲线

图4 切削力随切削深度变化曲线

由图3可知,当切削深度ap=0.5 mm时,刀具切削2A12铝合金的切削力很小.随着主轴转速的不断增大,切削速度由375 m/min增加到756.9 m/min时(主轴转速与切削速度用公式v=nπd/1 000进行换算,刀具直径d=20 mm),切削力降低了近50%.这是由于随着切削速度增加,切削温度逐渐提高,2A12铝合金切削层软化,硬度与强度降低,从而导致切削力变小.

由图4可知,当切削深度ap由0.5 mm增加到3.5 mm时,切削力由29.9 N增加到99.07 N,增大了3.4倍,切削力增大的幅度比较大.这是由于随着切削深度的增加,刀具切削工件的体积增大,使得切屑的变形增大,同时切屑对刀具前刀面的压力增大，导致前刀面与切屑之间摩擦力增大,从而使切削力急剧增加,零件的表面质量不断降低.因此在高速切削时,为了得到较好的表面质量应取较小的切削深度.

2.2 刀具前角对切削力的影响

为了研究刀具前角对切削力的影响,分别取刀具前角为5°、10°、15°、20°进行仿真.其中，转速n=10.0 kr/min,刀尖圆弧半径为0.02 mm.仿真过程中切屑状态的变化和应力的分布如图5所示.

图5 不同前角下的应力云图

由图5可知：随着刀具前角的增大,工件内部应力值基本不变；当刀具不断切入时,应力最大值逐渐集中在切屑卷曲的部分；切屑的状态随着刀具前角的增大,逐渐由非连续状态变为连续状态.这是由于当刀具前角比较小时,切屑承受的挤压大,比较容易断裂.

此外，切削力的波动随着刀具前角的变大而减小.取其稳定部分的平均值为参考,得到刀具前角对切削力的影响，如图6所示.当刀具前角由5°增加到20°时,切削力减小了14.9%.这是由于随着刀具前角的变大,刀具更容易切入工件,切屑的塑性变形减小,切削力随之减小.

图6 切削力随着刀具前角的变化

3 实验验证

为了验证仿真模型和J-C参数的准确性,设计单因素铣削实验.以BRIDGEPORT三轴立式铣床为平台,选用直径为20 mm的硬质合金立铣刀进行铣削,并采用Kistler三项测力仪测量实验中产生的切削力，如图7所示.铣削加工时,由于刀齿不断地切入切出,切削力十分不稳定.取切削力峰值附近的数据进行处理,得到如图8所示的Fx方向切削力曲线.图中的切削力数据是在转速为4.0 kr/min,进给速度vf=2.0 m/min ,铣削宽度ae=3 mm,铣削深度ap= 0.5 mm的条件下得到的.

图7 实验平台

图8 切削力实验的数据曲线

取实验结果的峰值与仿真结果进行对比,发现切削力曲线变化趋势相同，如图9所示.

图9 切削力的实验与仿真曲线

实验与仿真数据如表5和表6所列,仿真结果与实验结果存在一定的误差,误差最大为16.3%.存在误差的原因包括：

表5 主轴转速改变时实验值与模拟值的比较

表6 切削深度改变时实验值与模拟值的比较

1) 把三维铣削转换成了二维车削进行仿真；切削层厚度在仿真过程中没有改变,切削力比较平稳；而铣削时切削层厚度随着刀齿的切入切出发生改变,切削力波动较为严重.

2) 在有限元模型中把刀具设置成了刚体,没有考虑刀具的磨损以及刀具温度变化对切削力的影响.

3) 没有考虑加工过程中刀具的振动.

4 结论

1) 使用2A12铝合金的J-C本构模型和失效模型,通过ABAQUS软件在高速条件下仿真了切削力随着切削速度v、切削深度ap以及刀具前角的变化规律.分析发现：当主轴转速从4.0 kr/min提升到12.0 kr/min时，切削力降低了近50%；在高速条件下刀具前角由5°增加到20°时，切削力减小了14.9%；当切削深度由0.5 mm增加至3.5 mm时,切削力变大了3.4倍；在高速切削时，应该选择较小的切削深度和较大的刀具前角.

2) 设计单因素铣削实验,研究主轴转速和切削深度对切削力的影响,并对仿真结果进行验证.仿真结果与实验结果的误差在17%以内,达到了预期要求,验证了仿真模型的可用性.模型可以作为2A12铝合金高速铣削加工仿真的参考,并且可以组合不同的参数进行仿真实验,在一定程度上节约了研究成本.同时，还可以为高速铣削时切削参数、刀具角度的合理选取提供比较好的参考作用.