6061鋁合金超精密切削仿真與實(shí)驗(yàn)研究

王海龍，王素娟

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006）

1 引言

6061鋁合金（Al6061）是一種可進(jìn)行熱處理的Al-Mg-Si系合金，通過金剛石超精密切削Al6061可獲得納米級(jí)表面精度，廣泛應(yīng)用于航天、化工、汽車制造、光學(xué)器件等領(lǐng)域。金剛石超精密切削Al6061 技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)，如切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響［1-3］、材料特性對(duì)切削表面質(zhì)量的影響［4-7］、材料特性對(duì)金剛石刀具磨損的影響［8］等研究取得了一定的成果。由于在線檢測(cè)技術(shù)無法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)超精密切削過程中，切削熱和切削生成表面等變化特性，有待進(jìn)一步完善，切削仿真技術(shù)具有高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可為實(shí)際加工制造生產(chǎn)過程提供理論數(shù)據(jù)支撐，特別是超精密切削過程（切削厚度為微米級(jí)）機(jī)理，Al6061超精密切削過程屬微切削，材料去除過程可分為可完全恢復(fù)的彈性階段、可部分恢復(fù)的塑性階段、頸縮或斷裂的損傷階段等三個(gè)階段，即材料的彈塑性-損傷發(fā)展過程，科學(xué)的材料彈塑性本構(gòu)方程與材料損傷方程是切削仿真的關(guān)鍵。目前，金屬材料彈塑性本構(gòu)方程主要有Johnson-Cook 本 構(gòu) 模 型（J-C）［9-10］、J-C 本 構(gòu) 優(yōu) 化 模 型［11-12］、Zerilli-Armstrong模型，Maewaka模型、Nemat-Nasser模型，以及Power-Law模型［13］，其中最常用的是J-C的本構(gòu)模型。為進(jìn)一步揭示單晶金剛石超精密切削Al6061機(jī)理，選取綜合考慮材料彈塑性、損傷性能的J-C模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建Al6061超精密切削過程有限元仿真模型，并與切削加工實(shí)驗(yàn)結(jié)合，研究切削力、切削熱、切削表面質(zhì)量等變化特性。

2 Al6061切削仿真模型

2.1 材料本構(gòu)模型

2.1.1 彈塑性本構(gòu)方程