鋁合金A6061在金剛石和硬質(zhì)合金兩種刀具下的高速切削研究

周 鵬，劉厚根，李 皓

（中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

如今，高速加工技術(shù)[1]已經(jīng)成為21世紀非常重要的先進制造技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于汽車、模具和航空等行業(yè)的零部件加工之中。鋁合金A6061作為這些行業(yè)廣泛使用的材料之一，強度和硬度較低，導(dǎo)熱系數(shù)高，但在實際加工過程中，由于鋁合金A6061的熔點低，加工時切屑跟刀具的粘結(jié)情況很嚴重，難以獲得較低的表面粗糙度和較高的加工精度，對刀具的磨損很嚴重，是屬于難加工材料。不過，對于像鋁合金A6061這樣難加工且常用的材料，僅僅改變一定的加工參數(shù)，例如調(diào)整刀具前后角，進給速度等，對于加工性能的改善程度，可能不如通過選擇合適的加工刀具，這樣能更好的提高相應(yīng)的加工精度和效率，降低零件的表面粗糙度，減少刀具的損耗。

在加工企業(yè)中，硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具由于都具有高強度、低韌性、較好導(dǎo)熱和抗熱膨脹等特性，因而，這兩種刀具被作為鋁合金A6061的高速切削加工的主要刀具。本文通過ABAQUS仿真軟件，采用有限元仿真的方法，模擬在不同切削速度條件下，金剛石和硬質(zhì)合金兩種材料刀具在加工鋁合金A6061時的切削過程，一方面，研究在不同高速切削速度下，在兩種刀具切削時，模擬出鋁合金A6061工件相應(yīng)的切削力和溫度，另一方面，通過仿真結(jié)果，進行對比分析，判斷哪一種刀具更適合于鋁合金A6061的高速加工[2,3]。最后，通過設(shè)計實際的車削試驗，驗證仿真所得到結(jié)論和結(jié)果，最終，為工廠實際生產(chǎn)加工做出一定意義的指導(dǎo)。

1 鋁合金A6061高速切削仿真

1.1 鋁合金A6061本構(gòu)方程以及相關(guān)參數(shù)

在金屬切削過程中，通常產(chǎn)生高應(yīng)力應(yīng)變、高應(yīng)變率以及高溫度，這些參數(shù)都會對材料的流動應(yīng)力有很嚴重的影響[4]，為了準確的模擬出材料切削過程中的流動應(yīng)力，則需要選擇準確可靠的本構(gòu)方程來描述材料在被切削過程中的熱-機械性能。在國內(nèi)外研究中，關(guān)于材料的本構(gòu)方程有許多的數(shù)值模型，而本文采用的Johnson-Cook本構(gòu)方程被公認為最適合金屬切削仿真的本構(gòu)模型，公式如下[5]：

1.2 鋁合金A6061材料損傷失效

在ABAQUS仿真軟件中，為了模擬切屑的形成，需要在軟件中考慮到損傷失效。對于損傷模擬分兩步：損傷初始、損傷演化[7]。在本次仿真試驗中，采用的是Johnson-Cook剪切失效準則作為材料損傷初始準則，基于單元積分點的等效塑性應(yīng)變來定義損傷參數(shù)ω，當(dāng)ω的值達到1時，單元開始失效，公式定義為：

從材料開始損傷到完全失效有一個演化過程，損傷演化過程中材料的應(yīng)力矩陣為：

式中：KIC是材料的I型裂紋的斷裂韌度；v是泊松比；E是楊氏模量，仿真試驗中，需要根據(jù)不同刀具材料，在不同切削速度中調(diào)節(jié)斷裂能量Gf的值，確保仿真不會因為網(wǎng)格變形過大，而中斷仿真試驗。

1.3 仿真切削模型的建立

本次采用的工件模型長寬尺寸為15mm×6mm，切削的長度為1.2 m m,分別對應(yīng)的切削速度為5000mm/s、4500mm/s、4000mm/s、3500mm/s、3000mm/s、2000mm/s、1600mm/s、1200mm/s，切削厚度0.4mm，刀具的前角為0°，后角7°。兩種刀具材料的物理性能如表1所示[8,9]，切削模型具體如圖1所示[10,11]。

圖1 ABAQUS仿真模型

表1 兩種刀具材料的物理性能

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 仿真過程工件切削溫度

在切削過程中，工件會發(fā)生嚴重的塑性變形，加之材料與刀具之間的摩擦，會使主剪切變形區(qū)域產(chǎn)生大量熱量，致使溫度升高，在鋁合金A6061高速切削中，切削溫度越高，工件的已加工表面則會因為高溫，更容易被氧化、腐蝕使得尺寸精度和表面質(zhì)量下降，同時由于鋁合金A6061的熔點相對較低，切削過程中，當(dāng)溫度超過熔點時，使得刀屑與刀具發(fā)生粘結(jié)，加劇刀具磨損，影響加工精度。在ABAQUS軟件中，控制正交加工過程的能量方程的穩(wěn)態(tài)二維形式為：

式中：ηp表示非彈性熱分數(shù)，取值為0.9；表示滑移率，表示摩擦功換算系數(shù)，取值1；J表示導(dǎo)入工件的熱能分數(shù)，取值為0.5，摩擦剪切應(yīng)力，Cp是比熱值，k表示熱傳導(dǎo)率，u表示應(yīng)變，v表示切削速度。

圖2 兩種刀具所切削的工件溫度變化曲線

圖3 金剛石刀具所切削工件分別在切削速度96m/min、180m/min、240m/min、300m/min下的溫度場

其中，從圖2所展示了工件切削溫度的變化曲線可以看出，隨著切削速度的增加，工件塑性變形逐漸變大，與刀具間的摩擦熱量逐漸增多，導(dǎo)致工件的切削溫度不斷升高，當(dāng)材料的塑性變形到一定程度不再增加時，僅有摩擦熱量還在積累，這時切削溫度的增長速率也就慢了下來，所以兩種刀具所對應(yīng)工件切削溫度會先隨切削速度增加而快速上升，最后慢慢趨于穩(wěn)定。但在兩種刀具中金剛石所對應(yīng)的切削工件，最高溫度可達688.7K，而硬質(zhì)合金刀具對應(yīng)切削工件則為750.4K，兩者都小于鋁合金A6061的熔化溫度，因此該兩種在高速切削鋁合金A6061時不會產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，同時，在相同的切削速度下，金剛石的切削工件的溫度數(shù)值明顯要小于硬質(zhì)合金的切削工件。圖3和圖4顯示了鋁合金A6061工件在一定切削速度下，被兩種刀具所切削形成的溫度場。在相同切削速度條件下，從圖中可以看出，金剛石工件所對應(yīng)的刀尖溫度大小也要小于硬質(zhì)合金工件。

2.2 仿真過程工件切削力

切削力是金屬切削分析中十分重要的參數(shù)，圖5表示了在不同切削速度下，兩種材料刀具所切削工件的切削力變化曲線。鋁合金A6061高速切削過程中，切削速度的增加，切削溫度也隨之上升，當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時，會導(dǎo)致材料的強度和硬度也相應(yīng)降低，因此切削力在初始階段隨著切削速度的上升而增加，當(dāng)切削速度進一步提高時，切削力卻反而會逐漸下降，最后穩(wěn)定下來。圖5中金剛石刀具的切削力最大值為273.4N，硬質(zhì)合金刀具的切削力最大值為281.4N。當(dāng)然，在相同切削參數(shù)下，更大的切削力，會引起更大的刀具磨損，同時，在加工時，機床所需的工作功率更大，甚至?xí)饳C床振動，損壞加工機床。從仿真結(jié)果中可以看出，在相同切削速度下，金剛石刀具的切削力要遠小于硬質(zhì)合金刀具。

圖4 硬質(zhì)合金刀具所切削工件分別在切削速度96m/min、180m/min、240m/min、300m/min下的溫度場

圖5 兩種材料刀具的切削力

3 鋁合金A6061車削試驗

3.1 車削試驗?zāi)Ｐ?/h3>

為了驗證仿真結(jié)果，通過在一臺車床上，選用直徑大小不同的鋁合金A6061工件，調(diào)整相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，使得兩種切削刀具，在車削工件時，能夠達到仿真所需的高速切削速度要求。車削過程中的切削厚度為0.4mm，進給量為0.25mm/r。車削現(xiàn)場如圖6所示，而車削過程中工件受到的切削力和溫度，分別通過大連理工測力儀和紅外熱像儀實時記錄的。

圖6 車削試驗圖

3.2 車削過程工件的切削溫度

試驗過程中，通過紅外熱像儀實時記錄兩種刀具，在八種不同切削速度下，鋁合金A6061時所產(chǎn)生的最高溫度，具體如圖5所示。

圖7 試驗時，兩種工件在切削過程中產(chǎn)生的切削溫度

通過圖2和圖6結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，仿真試驗和實際車削試驗中，兩種刀具在不同切削速度下，工件的切削溫度曲線變化情況大致相似，都是隨著溫度的升高而增加，而后逐漸穩(wěn)定。不過，仿真的溫度結(jié)果在相同的切削速度下，相對于實際車削試驗要高出8%～10%左右，屬于合理偏差范圍。但在車削試驗中，硬質(zhì)合金刀具切削的工件，在相同切削速度下，所產(chǎn)生的最高溫度相比于金剛石刀具數(shù)值更大，這與仿真試驗所得到的結(jié)論一致。

3.3 車削過程工件的切削力

在八種不同切削速度下，車削鋁合金A6061時，利用大連理工測力儀所記錄的工件切削力變化曲線，具體如圖5所示。

圖8 試驗時，兩種工件在切削過程中產(chǎn)生的切削力

從圖5和圖7對比可以看出，兩種刀具所對應(yīng)工件的切削力，變化規(guī)律相同，隨著切削速度增加，切削力會先增大，然后慢慢減少，直至穩(wěn)定，只不過，仿真切削力曲線相對于車削試驗，其整體變化速率更加平緩，而且，在每個切削速度對應(yīng)的切削力數(shù)值，仿真結(jié)果都會比車削結(jié)果偏大10%～12%左右，這說明了仿真試驗在切削溫度和切削力方面還有一定優(yōu)化空間。同時，在車削試驗中，在相同切削速度下，硬質(zhì)合金刀具切削的工件，其對應(yīng)的切削力數(shù)值都會大于金剛石刀具切削的工件，驗證了仿真結(jié)論。

4 結(jié)論

本文利用金剛石刀具和硬質(zhì)合金刀具通過仿真和實際車削兩種試驗方法，進行鋁合金A6061的高速切削研究，從兩種試驗對比可以發(fā)現(xiàn)，在高速切削鋁合金A6061時，切削溫度會隨著切削速度的增加而升高，而后慢慢穩(wěn)定，切削力則會先升高后下降，也最后穩(wěn)定，這就意味著在切削時，可以通過選取合適的切削速度，使切削溫度和切削力的數(shù)值處于最優(yōu)位置，讓實際的加工效率和經(jīng)濟效益同時得到提高。

通過仿真和車削試驗結(jié)果的對比分析，在相同切削速度下，在進行鋁合金A6061的高速切削時，金剛石刀具所對應(yīng)的工件的切削力和切削溫度數(shù)值，會小于硬質(zhì)合金刀具所對應(yīng)的工件。這就意味利用金剛石刀具進行鋁合金A6061高速加工時，將會得到更好的表面粗糙度和尺寸精度，同時對刀具的磨損也會更低。