7075铝合金是一种新型铝合金,具有强度高、机械性能好、可用性好、加工方便、耐磨性好等特点。广泛应用于航空航天、模具加工、机械设备等领域,特别适用于制造强度高、耐腐蚀性强的高应力结构。已成为军用民用飞机的首选材料。由于光学瞄准镜的镜面部件是铝合金薄壁部件,具有加工精度要求高、加工变形方便等特点,在后续切割加工中面临着一系列的加工过程问题。由于光学瞄准镜的镜面部件是铝合金薄壁部件,具有加工精度要求高、加工变形方便等特点,在后续切割加工中面临着一系列的加工过程问题。
研究其切削工艺参数对于保证零件切削的加工精度和表面质量尤为重要。传统的研究切割方法主要是通过人工试切获得合适的加工参数,不仅效率低,而且容易造成零件报废,造成一定的经济损失。通过深入研究7075铝合金切机理的深入研究,DEFORM有限元工艺仿真系统软件建立刀具-工件模型,赋予材料属性等数值仿真过程。通过DEFORM软件后处理器的操作结果分析了铝合金切割过程的关键技术,获得了模拟切割力变化、应力和切割温度分布的相关试验数据,并通过切割力测量试验证了模拟后处理器结果的有效性,研究了刀具几何形状对铝合金切割过程的影响,为实践中铝合金刀具几何形状提供了参考。
1 建立切削模型
7075铝合金机械性能好,阳极反应好。其化学成分和物理性能分别见表1和表2。
表1 铝合金7075-T651的化学成分(wt.%)
表2 铝合金7075-T651的物理性能
(1)建立几何模型
DEFORM该软件具有强大的刀库和自动生成工件的功能,还可根据用户需要自行创建刀具和工件,在这种环境下,铝合金7075-T651切割有限元模型(见图1)。刀具和工件的材料取自DEFORM材料库,刀具材料为硬合金,工件材料为Al7075-T6。刀具和工件的材料取自DEFORM材料库,刀具材料为硬合金,工件材料为Al7075-T6.刀具设置为刚性材料,工件为塑料材料,只考虑摩擦、传热等效果。
图1 切割几何模型
(2)切割模型有限元网格的划分
在金属切割过程中,网格划分的密度会影响模拟结果的准确性。密度越大,模拟结果越准确,但计算机的运行时间和计算量会大大增加。刀具网格数为35000,工件网格数为6000,以平衡计算精度和仿真时间。
铝合金7075分析-T在651切割过程中,随着刀尖的切割,预处理生成的网格将被破坏。因此,不变大小的网格划分会影响切割模拟结果的精度。DEFORM该软件可以自动重新划分网格,即当边界网格和刀片干扰时停止当前操作,重新划分工件网格后继续计算,以确保模拟结果的准确性。
(3)设置其他模拟参数
刀具切削速度为210m/min,切削深度取0.5mm,进给量0.1mm/r。模拟断裂标准的设置为Ayada断裂标准,环境温度20℃,刀具r0=5°,α0=3°,λs=-7°,刀尖弧半径0.5mm,刀具与工件之间的剪切摩擦系数.5,热导率45N/s/mm/℃。为缩短模拟时间,模拟步骤为1000,每25步保存一次,切割终止角度为20°。
2 模拟结果及分析
(1)切削力分析
金属切削过程中的切削力来自于克服被加工材料产生的抗力、切屑与刀具前刀面之间的摩擦以及刀具后刀面与加工表面之间的摩擦。分析切削过程中切削力的变化,对提高工件加工质量、工具寿命等具有重要意义。图2为铝合金切削模拟过程中切削力变化曲线图。从图中可以看出,在金属切削理论一致。当刀具开始切入工件时,切削力从0迅速增加,并在整个切削过程中上下波动,但总体趋于稳定。
(a)轴向力
(b)主切削力
(c)径向力
图2 不同方向的切削力改变曲线
为CA切削力测量验证试验在6140车床上进行。试验采用与模拟模拟相同的几何形状YT15硬质合金刀具的切削量与模拟设置相同,切削力值由祥云公司生产的数据采集仪器获得。主切削力测量值为90.6N,与模拟值的误差约为11%,验证了模拟结果的有效性。
为了进一步验证模拟结果的准确性,在上述试验的基础上,对比模拟值和试验值的误差和变化趋势(见图3)。从图中可以看出,模拟模拟与测量主切削力的变化趋势一致,随着切削速度的增加,波动范围小,验证了模拟结果的有效性。
图3 不同切削速度下主切削力的变化曲线
(2)应力场分析
应力场是金属切削过程中零件变形的因素之一,分析铝合金切削过程中应力的分布对提高工件加工精度具有重要意义。模拟工件和刀具的应力分布如图4所示。从图中可以看出,刃前区的应力分布最为复杂,最大应力分布在第一变形区,变形梯度较大,而第二变形区的应力分布较为均匀。
图4 工件的应力分布
(3)切削热分析
在铝合金切削加工中共有3个区域产生热量:切屑与前刀面接触区域、剪切面区域、后刀面与过渡表面区域,具体温度分布如图5所示。从图中可以看出,切削温度的最高点分布在刀尖与切屑的接触区,切削工件的最高切削温度可达436℃,刀具的最高温度可达58.6℃。
(a)工件 (b)刀具
图5 工件和刀具的切削温度分布
3 刀具几何形状对切削过程的影响
探讨刀具几何形状对铝合金切削过程的影响,在保证刀具切削角度、切削用量等参数不变的情况下,将不同几何形状的刀具插入模拟铝合金切削。将上述模拟刀具命名为刀具1,然后分别插入刀具2和刀具3,分析比较三种不同几何形状的刀具模拟后处理器的结果。将上述模拟刀具命名为刀具1,然后分别插入刀具2和刀具3,分析比较三种不同几何形状的刀具模拟后处理器的结果。由于刀具几何形状的变化,刀尖的弧半径也相应地发生了变化。与刀具1相比,刀具2的弧半径增加到0.7mm,刀具3刀尖弧半径减小0.4mm。刀具2和刀具3的几何形状如图6所示。
(a)刀具2 (b)刀具3
图6 刀具2和刀具3的几何形状
图7为刀具2和刀具3主切削力变化曲线图。与切削力曲线变化图相比,刀具形状对切削力变化影响较小,主切削力变化趋势一致,切削力波动较小,刀具2的主切削力最大为107N,刀具3的主切削力最小为94.5N。
(a)刀具2
(b)刀具3
图7 刀具2和刀具3的主切削力变化曲线
图8显示了刀具2和刀具3切削时工件的应力分布。对比工件的应力分布图,可知刀具几何形状对工件应力大小和分布影响较小。刀具2切割工件的最大应力值为779MPa,刀具3切割工件的最大应力值为766MPa。
(a)刀具2
(b)刀具3
图8 工件的应力分布
图9为工件和刀具2的切削温度分布图,图10为工件和刀具3的切削温度分布图。通过对三种刀具和工件切削温度分布图的比较分析,刀具几何形状对工件切削温度分布影响较大,对刀具切削温度影响较小。刀具2的最高温度为51.2℃,工件最高温度为411℃;刀具3的最高温度为57.1℃,工件最高温度为373℃。
(a)工件 (b)刀具2
图9 刀具2和工件的切削温度分布
(a)工件 (b)刀具3
图10 刀具3和工件的切削温度分布
小结
(1)采用数值模拟技术,基于DEFORM软件对金属切削过程进行模拟仿真,通过试验得到切削力的仿真值和测量值具有合理的一致性;由于计算机条件的影响,切削力变化曲线在切屑分离和网格重划时产生一些跳动,但这不影响分析结果的正确性。
(2)工件刃前区域的应力分布最为复杂,最大应力分布在第一变形区域,变形梯度较大,第二变形区域的应力分布相对均匀,符合实际切割过程。
(2)工件刃前区域的应力分布最为复杂,最大应力分布在第一变形区域,变形梯度较大,第二变形区域的应力分布相对均匀,符合实际切割过程。
(3)刀具前刀面靠近刀尖一定距离处切削温度最高,最容易发生扩散磨损而形成月牙洼。通过模拟切削过程中刀具表面的温度分布,可以更方便地研究刀具的使用寿命,从而指导切削的实际加工。
(4)通过真结果可以看出,切割铝合金时,刀具3的主切削力最小(94).5N);刀具2最高切削温度值最小(51.2℃);工件最大应力值为757MPa),同时,工件的最高温度值也最小(373℃)。考虑到硬质合金刀具的耐高温性,得到刀具3的几何形状更有利于提高切割铝合金7075-T加工精度为651。
工具技术原载 作者:朱昱
书讯
? 现代刀具的设计与应用
? 工具热处理技术与实践
? 常用孔加工刀具
高效高精度孔加工刀具
欢迎关注工具技术公众平台
公众号:gjjs1964
欢迎写文章E-mail:toolmagazine@163.com