基于响应曲面法的7050铝合金切削力预测与工艺参数优化

2024-05-21刘永辉

机械制造 2024年4期

□ 刘永辉 □ 杨阳

1 长江大学文理学院信息与机电工程学院湖北荆州 434020

2 航天南湖电子信息技术股份有限公司湖北荆州 434007

1 研究背景

7050铝合金材料具有质量轻、强度高、气密性好、耐腐蚀等特点,被广泛用于航空、航天、机械制造等领域。切削力是表征材料切削加工性能的重要参数,影响切削过程中加工变形、刀具磨损等诸多方面。为了提高加工质量,进行工艺参数优化,控制切削过程中的切削力非常重要[1]。因此,研究7050铝合金切削工艺参数中的刀具前角、切削速度、切削深度对切削力的影响程度,建立切削力预测模型是非常有必要的。切削力的研究可以为刀具结构设计、切削参数设计提供依据,合理控制工艺参数,对于提高加工精度和提高切削7050铝合金效率有重要意义。

目前,国内外学者针对铝合金加工过程中切削参数对切削性能的影响问题进行了研究。蔡明等[2]通过有限元模拟和试验相结合的方法,研究了6061铝合金加工过程中影响因素对铣削力的影响。Mali等[3]通过试验研究了7050铝合金在切削过程中切削参数对切削力的影响。秦宇等[4]通过应用ABAQUS软件,对不同前角切削7050航空铝合金的切削过程进行了分析。张威[5]基于响应曲面法,研究了硬质合金刀具高速铣削6061铝合金,建立硬质合金高速铣削6061铝合金预测模型。张继林等[6]利用AdvantEdge软件研究切削参数对切削力的影响规律,采用方差分析得出背吃刀量和进给量对切削力的影响显著,切削速度对切削力的影响不显著。Huang Xianghui等[7]基于二维正交切削模型模拟了7050铝合金的高速切削,研究刀具前角、后角、进给量对切削力的影响。

国内外学者对切削铝合金进行了大量研究,分别研究了切削参数和刀具参数对切削力的影响[8-9]。但是,综合考虑刀具前角和切削参数建立切削力预测模型的研究较少,忽略了因素之间的交互作用。笔者基于ABAQUS软件,以7050铝合金为研究对象,研究刀具前角、切削速度、切削深度对切削力的影响程度,并建立切削力预测模型,优选出最佳工艺参数组合,以达到提高加工效率并保证加工质量的目的。

2 有限元网格模型

基于ABAQUS软件建立硬质合金刀具切削铝合金有限元模型,工件尺寸为10 mm×3 mm。刀具材料为硬质合金,前角为10°,后角为7°。工件的网格类型选择四节点平面应变耦合四边形单元。网格划分是进行数值模拟分析的关键一步,网格划分质量的好坏直接影响计算精度。在切削过程中,刀具刃口附近的应力状态最为复杂,因此对刃口周围的网格进行细化,控制最小网格尺寸为0.02 mm。二维切削的网格模型如图1所示。模拟中限制工件的底部自由度和左侧自由度,切削速度为8 000 mm/s,切削深度为0.1 mm。

图1 二维切削网格模型

3 材料本构模型

刀具切削铝合金时,铝合金在切削力作用下会发生弹塑性变形,这是一个大变形、非线性、热力耦合的复杂物理过程。为了确保仿真的准确性,必须合理选择材料模型。Johnson Cook 材料本构模型是一种通过计算式来反映应力与应变、应变率、温度关系的模型,形式简单而又准确,考虑了各向同性强化定律和Von Mises屈服准则,应用较为广泛,表达式为:

(1)

刀具材料选择硬质合金,由于刀具硬度远高于工件,为方便计算,将刀具视为刚体。金属切削模拟过程中,切屑与刀具间的接触、摩擦对切屑形成和刀具运动有重要影响,设置刀具与工件摩擦因数为0.3,7050铝合金Johnson Cook本构模型参数见表1[10-11]。

表1 7050铝合金Johnson Cook本构模型参数

4 数值模拟过程

7050铝合金切削过程中切屑成形过程应力云图如图2所示。由图2可知,随着刀具的前进,切屑形态为连续带状切屑。

图2 切屑成形过程应力云图

切削力是7050铝合金切削分析中非常重要的参数。硬质合金切削7050铝合金过程的切削力变化曲线如图3所示。由图3可知,刀具切入铝合金后,切削力逐渐增大,很快达到稳定值。切削过程中刀具与铝合金网格节点会不断分离,切削力呈现出一定程度的波动,但总体切削力曲线较平稳。提取切削过程中切削力的平均值作为切削力[12-13]。