7075鋁合金是一種新型鋁合金，具有強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、可用性好、加工方便、耐磨性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于航空航天、模具加工、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域，特別適用于制造強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)。已成為軍用民用飛機(jī)的首選材料。由于光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的鏡面部件是鋁合金薄壁部件，具有加工精度要求高、加工變形方便等特點(diǎn)，在后續(xù)切割加工中面臨著一系列的加工過程問題。由于光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的鏡面部件是鋁合金薄壁部件，具有加工精度要求高、加工變形方便等特點(diǎn)，在后續(xù)切割加工中面臨著一系列的加工過程問題。
研究其切削工藝參數(shù)對(duì)于保證零件切削的加工精度和表面質(zhì)量尤為重要。傳統(tǒng)的研究切割方法主要是通過人工試切獲得合適的加工參數(shù)，不僅效率低，而且容易造成零件報(bào)廢，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。通過深入研究7075鋁合金切機(jī)理的深入研究，DEFORM有限元工藝仿真系統(tǒng)軟件建立刀具-工件模型，賦予材料屬性等數(shù)值仿真過程。通過DEFORM軟件后處理器的操作結(jié)果分析了鋁合金切割過程的關(guān)鍵技術(shù)，獲得了模擬切割力變化、應(yīng)力和切割溫度分布的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過切割力測量試驗(yàn)證了模擬后處理器結(jié)果的有效性，研究了刀具幾何形狀對(duì)鋁合金切割過程的影響，為實(shí)踐中鋁合金刀具幾何形狀提供了參考。
1 建立切削模型
7075鋁合金機(jī)械性能好，陽極反應(yīng)好。其化學(xué)成分和物理性能分別見表1和表2。
表1 鋁合金7075-T651的化學(xué)成分（wt.%）
表2 鋁合金7075-T651的物理性能
(1)建立幾何模型
DEFORM該軟件具有強(qiáng)大的刀庫和自動(dòng)生成工件的功能，還可根據(jù)用戶需要自行創(chuàng)建刀具和工件，在這種環(huán)境下，鋁合金7075-T651切割有限元模型(見圖1)。刀具和工件的材料取自DEFORM材料庫，刀具材料為硬合金，工件材料為Al7075-T6。刀具和工件的材料取自DEFORM材料庫，刀具材料為硬合金，工件材料為Al7075-T6.刀具設(shè)置為剛性材料，工件為塑料材料，只考慮摩擦、傳熱等效果。
圖1 切割幾何模型
(2)切割模型有限元網(wǎng)格的劃分
在金屬切割過程中，網(wǎng)格劃分的密度會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。密度越大，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，但計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和計(jì)算量會(huì)大大增加。刀具網(wǎng)格數(shù)為35000，工件網(wǎng)格數(shù)為6000，以平衡計(jì)算精度和仿真時(shí)間。
鋁合金7075分析-T在651切割過程中，隨著刀尖的切割，預(yù)處理生成的網(wǎng)格將被破壞。因此，不變大小的網(wǎng)格劃分會(huì)影響切割模擬結(jié)果的精度。DEFORM該軟件可以自動(dòng)重新劃分網(wǎng)格，即當(dāng)邊界網(wǎng)格和刀片干擾時(shí)停止當(dāng)前操作，重新劃分工件網(wǎng)格后繼續(xù)計(jì)算，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(3)設(shè)置其他模擬參數(shù)
刀具切削速度為210m/min，切削深度取0.5mm，進(jìn)給量0.1mm/r。模擬斷裂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置為Ayada斷裂標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度20℃，刀具r0=5°，α0=3°，λs=-7°，刀尖弧半徑0.5mm，刀具與工件之間的剪切摩擦系數(shù).5，熱導(dǎo)率45N/s/mm/℃。為縮短模擬時(shí)間，模擬步驟為1000，每25步保存一次，切割終止角度為20°。
2 模擬結(jié)果及分析
(1)切削力分析
金屬切削過程中的切削力來自于克服被加工材料產(chǎn)生的抗力、切屑與刀具前刀面之間的摩擦以及刀具后刀面與加工表面之間的摩擦。分析切削過程中切削力的變化，對(duì)提高工件加工質(zhì)量、工具壽命等具有重要意義。圖2為鋁合金切削模擬過程中切削力變化曲線圖。從圖中可以看出，在金屬切削理論一致。當(dāng)?shù)毒唛_始切入工件時(shí)，切削力從0迅速增加，并在整個(gè)切削過程中上下波動(dòng)，但總體趨于穩(wěn)定。
(a)軸向力
(b)主切削力
(c)徑向力
圖2 不同方向的切削力改變曲線
為CA切削力測量驗(yàn)證試驗(yàn)在6140車床上進(jìn)行。試驗(yàn)采用與模擬模擬相同的幾何形狀YT15硬質(zhì)合金刀具的切削量與模擬設(shè)置相同，切削力值由祥云公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集儀器獲得。主切削力測量值為90.6N，與模擬值的誤差約為11%，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的有效性。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)比模擬值和試驗(yàn)值的誤差和變化趨勢（見圖3）。從圖中可以看出，模擬模擬與測量主切削力的變化趨勢一致，隨著切削速度的增加，波動(dòng)范圍小，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的有效性。
圖3 不同切削速度下主切削力的變化曲線
(2)應(yīng)力場分析
應(yīng)力場是金屬切削過程中零件變形的因素之一，分析鋁合金切削過程中應(yīng)力的分布對(duì)提高工件加工精度具有重要意義。模擬工件和刀具的應(yīng)力分布如圖4所示。從圖中可以看出，刃前區(qū)的應(yīng)力分布最為復(fù)雜，最大應(yīng)力分布在第一變形區(qū)，變形梯度較大，而第二變形區(qū)的應(yīng)力分布較為均勻。
圖4 工件的應(yīng)力分布
(3)切削熱分析
在鋁合金切削加工中共有3個(gè)區(qū)域產(chǎn)生熱量：切屑與前刀面接觸區(qū)域、剪切面區(qū)域、后刀面與過渡表面區(qū)域，具體溫度分布如圖5所示。從圖中可以看出，切削溫度的最高點(diǎn)分布在刀尖與切屑的接觸區(qū)，切削工件的最高切削溫度可達(dá)436℃，刀具的最高溫度可達(dá)58.6℃。
(a)工件 (b)刀具
圖5 工件和刀具的切削溫度分布
3 刀具幾何形狀對(duì)切削過程的影響
探討刀具幾何形狀對(duì)鋁合金切削過程的影響，在保證刀具切削角度、切削用量等參數(shù)不變的情況下，將不同幾何形狀的刀具插入模擬鋁合金切削。將上述模擬刀具命名為刀具1，然后分別插入刀具2和刀具3，分析比較三種不同幾何形狀的刀具模擬后處理器的結(jié)果。將上述模擬刀具命名為刀具1，然后分別插入刀具2和刀具3，分析比較三種不同幾何形狀的刀具模擬后處理器的結(jié)果。由于刀具幾何形狀的變化，刀尖的弧半徑也相應(yīng)地發(fā)生了變化。與刀具1相比，刀具2的弧半徑增加到0.7mm，刀具3刀尖弧半徑減小0.4mm。刀具2和刀具3的幾何形狀如圖6所示。
(a)刀具2 (b)刀具3
圖6 刀具2和刀具3的幾何形狀
圖7為刀具2和刀具3主切削力變化曲線圖。與切削力曲線變化圖相比，刀具形狀對(duì)切削力變化影響較小，主切削力變化趨勢一致，切削力波動(dòng)較小，刀具2的主切削力最大為107N，刀具3的主切削力最小為94.5N。
(a)刀具2
(b)刀具3
圖7 刀具2和刀具3的主切削力變化曲線
圖8顯示了刀具2和刀具3切削時(shí)工件的應(yīng)力分布。對(duì)比工件的應(yīng)力分布圖，可知刀具幾何形狀對(duì)工件應(yīng)力大小和分布影響較小。刀具2切割工件的最大應(yīng)力值為779MPa，刀具3切割工件的最大應(yīng)力值為766MPa。
(a)刀具2
(b)刀具3
圖8 工件的應(yīng)力分布
圖9為工件和刀具2的切削溫度分布圖，圖10為工件和刀具3的切削溫度分布圖。通過對(duì)三種刀具和工件切削溫度分布圖的比較分析，刀具幾何形狀對(duì)工件切削溫度分布影響較大，對(duì)刀具切削溫度影響較小。刀具2的最高溫度為51.2℃，工件最高溫度為411℃；刀具3的最高溫度為57.1℃，工件最高溫度為373℃。
(a)工件 (b)刀具2
圖9 刀具2和工件的切削溫度分布
(a)工件 (b)刀具3
圖10 刀具3和工件的切削溫度分布
小結(jié)
(1)采用數(shù)值模擬技術(shù)，基于DEFORM軟件對(duì)金屬切削過程進(jìn)行模擬仿真，通過試驗(yàn)得到切削力的仿真值和測量值具有合理的一致性；由于計(jì)算機(jī)條件的影響，切削力變化曲線在切屑分離和網(wǎng)格重劃時(shí)產(chǎn)生一些跳動(dòng)，但這不影響分析結(jié)果的正確性。
（2）工件刃前區(qū)域的應(yīng)力分布最為復(fù)雜，最大應(yīng)力分布在第一變形區(qū)域，變形梯度較大，第二變形區(qū)域的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，符合實(shí)際切割過程。
（2）工件刃前區(qū)域的應(yīng)力分布最為復(fù)雜，最大應(yīng)力分布在第一變形區(qū)域，變形梯度較大，第二變形區(qū)域的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，符合實(shí)際切割過程。
(3)刀具前刀面靠近刀尖一定距離處切削溫度最高，最容易發(fā)生擴(kuò)散磨損而形成月牙洼。通過模擬切削過程中刀具表面的溫度分布，可以更方便地研究刀具的使用壽命，從而指導(dǎo)切削的實(shí)際加工。
(4)通過真結(jié)果可以看出，切割鋁合金時(shí)，刀具3的主切削力最小(94).5N）；刀具2最高切削溫度值最小(51.2℃）；工件最大應(yīng)力值為757MPa），同時(shí)，工件的最高溫度值也最小(373℃）?？紤]到硬質(zhì)合金刀具的耐高溫性，得到刀具3的幾何形狀更有利于提高切割鋁合金7075-T加工精度為651。
工具技術(shù)原載 作者：朱昱
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