高速切削鋁合金溫度和殘余應力的仿真研究

張繼林，易湘斌，徐創文，羅文翠，竇建明

（蘭州工業學院，甘肅蘭州730050）

0 引言

隨著制造業快速發展，制造業將面臨加工質量和生產效率等問題的挑戰。高速切削加工技術具切削速度高、切削熱少、切除率大、加工精度高等優點，正好解決制造業的困境。計算機技術的發展，導致有限元仿真技術在高速切削加工中日益顯著。利用切削仿真技術，可以得到切削范圍的溫度和殘余應力物理量，能夠為實際加工提供參考和指導作用。高強度鋁合金具備密度低、比強度高等特點，普遍用于航空、航天、汽車、船舶等領域[1]。影響零件的性能和壽命的因素有切削溫度和殘余應力，因此研究切削溫度和殘余應力對切削參數的優化和加工質量的提高有重要意義。

國內外研究者對鋁合金切削加工中的切削溫度和殘余應力進行了一定的試驗研究[2-4]。唐紹華[2]考慮了高速銑削熱的機理，建立溫度場數學模型。王神洲[3]等人研究了切削速度、背吃刀量、刀尖圓角半徑對殘余盈利的影響。畢運波[4]等人研究了航空鋁合金7050-T7451高速切削過程中的溫度場分布規律。以上研究只是對切削溫度或殘余應力單方面進行，加工質量的影響因素眾多，相對片面，本文共同研究切削溫度和殘余應力與切削用量的關系。

本文使用有限元軟件AdvantEdge-2D對硬質合金刀具車削鋁合金2024-T4的切削仿真，研究了切削參數對切削溫度和已加工表面殘余應力的影響規律，為切削溫度和殘余應力深入研究提供理論參考。

1 切削加工有限元建模仿真

建立車削加工模型，使用有限元仿真軟件AdvantEdge，進入其界面對工件、刀具、切削參數等進行設置建模，如圖1所示。

圖1 切削仿真模型

1.1 模擬參數

切削仿真過程的參數具體設置為：工件材料是3 mm×2 mm的鋁合金2024-T4，刀具材料為硬質合金（YG），幾何角度為：前角 γ0＝ 0°，后角 α0＝ 6°，刃傾角λs＝0，刀尖圓弧半徑為0.4 mm，切削刃鈍圓半徑r＝0.04 mm，初始溫度為20℃.車削參數范圍：切削速度uc＝800～1 400 m/min、進給量f＝0.05～0.2 mm/r和背吃刀量ap＝0.5～2.0 mm.

1.2 仿真過程分析

根據上述仿真模型，在uc＝800 m/min、f＝0.18 mm/r和ap＝0.8 mm條件下，某一時間時工件、刀具和切屑的溫度、殘余應力分布分別如圖2和3所示。分析過程中，取刀具最高切削溫度和工件表面殘余應力最大值。

圖2 某一時間切削溫度

圖3 某一時間殘余應力

1.2.1 切削速度對切削溫度和殘余應力的影響

在進給量f=0.18 mm/r和背吃刀量ap=0.8 mm條件下，切削速度uc分別取800 m/min、950 m/min、1 100 m/min、1 250 m/min、1 400 m/min 進行試驗仿真，對仿真數據中切削溫度最大值、殘余應力的最大拉應力和殘余應力的最大壓應力處理，得到如圖4和5所示。

圖4 切削速度與切削溫度最大值的關系

圖5 切削速度與殘余應力最大值的關系

從圖4中得知，隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸升高，主要是切削速度提高，金屬切除率增加，克服金屬的摩擦功增加，切削溫度增加，具體表現在速度從800 m/min增到1 400m/min，相應的切削溫度從366.694℃增加到385.804℃.從圖5中得知，隨著切削速度的提高，xx面的殘余拉應力先降低后增加，殘余壓應力先增加后降低，轉折點分別在950 m/min和1250 m/min，yy面的殘余拉應力和殘余壓應力都先增加后降低，轉折點同時在1 250 m/min.

1.2.2 進給量對切削溫度和殘余應力的影響

在切削速度uc=1 100 m/min和背吃刀量ap=0.8 mm條件下，進給量f分別取0.09 mm/r、0.12 mm/r、0.15 mm/r、0.18 mm/r進行試驗仿真，對仿真數據中切削溫度最大值、殘余應力的最大拉應力和殘余應力的最大壓應力處理，得到如圖6和7所示。

圖6 進給量與切削溫度最大值的關系

圖7 進給量與殘余應力最大值的關系

從圖6中得知，隨著進給量的增加，切削溫度直線上升，主要是進給量增加，金屬切除率也增加，切削溫度增加，具體表現在進給量從0.09 mm/r增到0.18 mm/r，相應的切削溫度從355.183℃增加到375.790℃.從圖7中得知，隨著進給量的提高，xx面的殘余拉應力先增加后降低再增加，處于波動狀態，殘余壓應力逐漸降低，yy面的殘余拉應力逐漸升高，殘余壓應力都先降低后增加，轉折點0.12mm/r，變化不大。

1.2.3 背吃刀量對切削溫度和殘余應力的影響

在切削速度uc=1 100 m/min和進給量f=0.18 mm/r條件下，切削速度ap分別取0.5 mm、1.0 mm、1.5mm、2.0mm進行試驗仿真，對仿真數據中切削溫度最大值、殘余應力的最大拉應力和殘余應力的最大壓應力處理，得到如圖8和9所示。

圖8 背吃刀量與切削溫度最大值的關系

圖9 背吃刀量與殘余應力最大值的關系

從圖8中得知，隨著背吃刀量的增加，切削溫度基本保持不變，主要是背吃刀量增加，切削溫度增加，但是散熱面積增加，因此切削溫度不變。從圖9中得知，隨著背吃刀量的提高，xx面和yy面的殘余拉應力和殘余壓應力保持不變。

2 結論

依據高速切削鋁合金2024-T4切削溫度和殘余應力的仿真研究數據，可以得知：隨著切削速度和進給量的增加，切削溫度呈現上升趨勢，殘余拉應力和殘余壓應力具有一定的規律；隨著背吃刀量的增加，切削溫度、殘余拉應力和殘余壓應力基本穩定。