铝合金高速铣削机理三维仿真建模与分析

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在航天产品零件加工中，由于残余应力、切削力和切削热引起的加工变形时有发生。最佳切削参数对于控制加工变形具有重要意义。通过实验测量切削力和切削温度来确定最佳切削参数的方法既费时又费力↑年来，随着计算机技术的飞速发展，有限元方法在金属切削领域得到广泛应用，通过有限元模拟方法得到不同切削参数条件下的切削力和温度，并进行切削参数优化已成为当今研究的热点 引。但在铣削加工模拟的已有研究中[4-5]，均对铣削加工模型进行了二维简化，而实际的铣削加工是三维过程。文献[6]和文献[7]采用试验方法对铝合金高效切削进行了研究，得到了有益于铝合金高速高效切削的推荐74参数。本文采用三维数值模拟方法，通过建立铣削加工的刀具.工件”三维几何模型、工件材料模型、刀.屑摩擦模型和切削温度模型，对高速铣削加工机理进行了物理仿真，模拟了铣削加工的切屑成形过程，分析了铣削应力、铣削热等物理量的分布以及铣削力值。

1 铣削加工仿真建模1.1 几何模型二齿或三齿螺旋立铣刀是铝合金材料加工中广泛采用的刀具，立铣刀圆柱面上的切削刃是主切削刃，端面上的切削刃是副切削刃，主切削刃和副切削刃同时参与材料去除。在铣削过程中，由于刀具的旋转和进给运动，刀具主切削刃上任-微元段的运动轨迹均是-条摆线，得到的切屑形状是变厚度的近似扇成群林，等：铝合金高速铣削机理三维仿真建模与分析 2013年第 4期形，如图 1所示。图 1中，口 为铣削宽度， 为铣削深度 为每齿进给量。立铣刀加工原理图如图2所示，刀具切削刃运动的摆线方程如式(1)所示 ：f -( (1)YRsin式中：R为刀具半径；t为刀具切削时间； 为刀具转角。

(图1 铝合金铣削中的变厚度切屑刀齿实际的表面为形成的表x图 2 立铣 刀加工原理 图在进行有限元几何建模时，充分考虑刀具切削刃运动轨迹的摆线特点以及双刃切削的特点，建立的有限元几何模型如图 3所示，二齿平底立铣刀直径为b20mm∩根据实际切削条件建立多齿或带底齿半径铣刀进行切削加工的几何模型。需要说明的是，由于工件的几何模型只表示出了切削区域的部分，所以看上去比刀具校图 3 有限兀几何模 型1.2 工件材料模型工件材料为铝合金 7050-T7451，数值模拟时，必须定义正确的材料模型，才能真实地反映实际切削加工过程。通过高温拉伸实验获得了材料的静态力学性能数据 ，真实反映了铝合金材料在不同温度下的静态力学弹、塑性性能。而且金属切削是-个涉及高温、高应变和高应变率的动态过程，其应变可高达 1-10，应变率可高达(10。～l0。)/sl8j，当材料发生塑性流动时，应力 大小与材料的等效塑性应变 、应变率以及温度 等因素密切相关，如式(2)所示。本文通过高速压缩实验获取了包含不同温度、不同应变率下的应变和流动应力值的动态力学性能数据，模拟时作为初始条件输入到数值仿真软件中，从而保证在加工模拟过程中真实描述材料高速切削时，应力与应变、应变率和温度之间的关系，即： ， ， )1.3 刀.屑摩擦模型(2)摩擦在金属切削中占有重要的地位。高速切削时，在刀具和切屑发生摩擦的前刀面上有两个接触区域9 J：滑动区和粘着区。在滑动区，服从库仑摩擦定律；在粘着区，刀、屑接触点处的剪应力等于临界摩擦应力。采用修正的库仑定律能够较好地反映摩擦状态的变化。令 为刀、屑接触点处切屑内的剪切应力，P为同-点处的法向压力，修正的库仑摩擦定律揭示 ，当 大于或等于临界摩擦应力 ，时，在刀、屑接触点处发生相对滑动，即接触点处于滑动状态；当r小于临界摩擦应力 r 时，刀、屑接触点没有相对滑动，即接触点处于黏性接触状态。临界摩擦应力 丁 的定义为：r min(/zp，下c) (3)式中：r 为材料失效时的极限0l私为摩擦因数，取为0.3。

采用修正的库仑摩擦定律的优点是可以根据接触的实际情况确定刀具和切屑间处于何种摩擦状态。

1.4 切削温度模型为了再现切削加工中的温度场，基于固体热传导与传热学的基本思想，对其进行传热分析，传热分析首先需要确定传人到工件内的热量〖察第-、第二和第三变形区产生的热量，其对温度产生的贡献各不相同，对工件温度产生影响的主要是第-变形区产生的切削热；第二变形区摩擦热主要对切屑和刀具温度产生影响；第三变形区中刀具后刀面和已加工工件表面摩擦虽然也产生-定的热量，但这部分摩擦热很小，传人工件中的热量更少 ，可以忽略 。图 4所示为将立铣加工过程简化后的传热学模型，切削过程中由于第-变形区的剪切变形，每个时刻均产生-个窄带热源 1-12]。刀齿从点 1切人，从点 2切出，在这个过程中，窄带热源 可视为持续运动窄带热源。

在从点 2切出直到下-个刀齿切入这段时间内，没有内部热源，为散热过程。当下-个刀齿切人后，又产生-持续窄带热源，直至刀齿切出。

752013年第 4期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)