基于ABAQUS/Explicit的銑削加工物理仿真技術研究

王景平，何明靜

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

目前，切削仿真中應用最多的通用軟件有 MS.Marc、ABAQUS等，利用這些軟件建立的切削仿真模型大多是二維直角或三維斜角連續切削模型［1－3］，斷續的銑削加工模型還比較少。為預測硬質合金立銑刀銑削加工航空鋁合金7050－T7451［4］時的切削力，本文研究了銑削加工物理仿真的關鍵技術，包括立銑刀和工件的實體模型、材料本構模型、切屑分離等，基于有限元軟件ABAQUS/Explicit，建立了硬質合金立銑刀銑削加工進入穩定銑削狀態的仿真模型，獲得了銑削力，并與實驗結果進行了對比。

1 立銑刀模型的建立

1.1 立銑刀幾何模型

圖1為圓柱形立銑刀螺旋刃線及截形示意圖。截形上的主要參數包括：前角γ、第一后角λ1、第一后寬l1、第二后角λ2、第二后寬l2、槽底圓弧半徑rs。其螺旋刃線方程為：

其中：r為銑刀圓柱體半徑；φ為回轉角度；φ（z）＝ztanβ/r，β為螺旋角。

圖1 圓柱形立銑刀螺旋刃線及截形示意圖

1.2 立銑刀旋轉軌跡及成形曲面

圖2為立銑刀旋轉軌跡及成形曲面。A為起始點，A′為軌跡上的任意一點，A和A′的位置可用式（2）和式（3）表示：

2 銑削加工的仿真模型

以硬質合金立銑刀側銑加工鋁合金7050－T7451為例，建立銑削加工物理仿真模型。圓柱形立銑刀直徑D＝20mm，齒數Z＝3。切削參數為：軸向切深ap＝3mm，徑向切深ae＝2.5mm，每齒進給量為fz＝0.2mm/齒，刀具轉速n0＝7 000r/min，切削速度為439.6m/min。

圖2 立銑刀旋轉軌跡及成形曲面

2.1 立銑刀和工件的網格模型

立銑刀及其切削成形曲面實體由CATIA生成，網格單元形狀為四面體，刀齒部分單元尺寸為0.2 mm，遠離刀刃的部分網格大小為0.4mm至1mm不等；未變形切屑的網格劃分較密，其單元大小為0.1 mm，其余部分較稀疏。立銑刀和工件的網格模型如圖3所示。

圖3 立銑刀和工件的網格模型

2.2 立銑刀和工件的材料模型

立銑刀和工件的材料（硬質合金與鋁合金）參數如表1所示。

表1 硬質合金與鋁合金的物理參數

采用半經驗的Johnson－Cook材料流動應力模型作為鋁合金7050－T7451的本構模型［5］，其表達式為：

其中：θt為鋁合金7050－T7451的轉變溫度，取值298 K；θm為鋁合金7050－T7451的融化溫度，取值761K。

2.3 切屑與工件的分離

切屑由材料動態斷裂失效產生，圖4為鋁合金7050－T7451的應力－應變曲線。其中，b點為破壞開始點，σy0分別為破壞開始時的應力和等效塑性應變，d點為材料的失效點是材料失效時的等效塑性應變，D為材料的剛度退化系數，b點D＝0，破壞開始，d點D＝1，材料失效。

圖4 鋁合金7050－T7451的應力－應變曲線

材料破壞系數w的計算式為：

其中：為等效塑性應變增量。當w＝1時，即認為材料失效將要發生。材料失效時的等效塑性應變可用Johnson－Cook動態失效模型表示：

其中：d1～d5為材料的失效參數，d1＝0.13，d2＝0.13，d3＝－1.5，d4＝0.011，d5＝0；p為壓應力；q為Mises等效應力。

2.4 仿真結果

圖5為銑削力仿真結果。由圖5可以看出x，y，z3個方向的銑削力變化一致，隨著刀齒的逐漸切入，切削厚度逐漸增加，銑削力逐漸增大，之后切削厚度逐漸減小，銑削力達到最大值后逐漸減小，直到刀齒完全切出工件，銑削力減小到0。

圖5 仿真加工的銑削力變化曲線

3 銑削實驗

實驗機床為DMU635V加工中心，測量設備由YDCB－III05三維動態銑削力壓電式測力儀、YE5850動態應變放大器、PCI－9118數據采集裝置、GDFMS數據分析系統及計算機組成。測得的3個向的銑削力如圖6所示。由6可知，x向銑削力集中在50N上下跳動，y向銑削力集中在100N上下跳動，z向銑削力在25N上下跳動。

圖6 銑削加工實驗切削力變化曲線

為了對比銑削力仿真值與實驗值，分別對兩者取平均，結果見表2。實驗值與仿真值變化一致，均是y向最大，z向最小。實驗值比仿真值偏大，這是由于實驗時刀具存在磨損，最大誤差為20.89%。引起誤差的原因為：①實際加工中熱傳導系數、線膨脹系數等值隨溫度的變化而變化，仿真模型中忽略了溫度對各項物理參數的影響；②使用的材料本構模型、材料的斷裂失效模型均是經驗模型，與材料的真實響應存在誤差；③仿真中只考慮了刀具和工件的相互作用，并沒有考慮整個機床系統。

表2 仿真值與實驗值對比

4 結論

本文建立了立銑刀銑削加工鋁合金7050－T7451的物理仿真模型，對立銑刀和工件的幾何模型進行了精確建模，給出了立銑刀及工件的物理參數以及切屑與工件的分離方法，基于ABAQUS/Explicit實現了銑削加工物理仿真。實驗證明仿真得到的銑削力變化與實際加工情況基本相符，因此在實際生產中，可以代替大量的切削實驗來獲得不同加工參數和刀具參數下7050－T7451的銑削力變化情況。

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