深冷挤出切削6061-T6铝合金切屑成形有限元分析
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2024-11-19 17:56
四川
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殷晓龙，郭润宇，王志林，王婉，于贺春，王汉斌. 深冷挤出切削6061-T6铝合金切屑成形有限元分析[J]. 工具技术, 2024, 58(8):59-65.Yin Xiaolong，Guo Runyu，Wang Zhilin，Wang Wan，Yu Hechun，Wang Hanbin. Finite element analysis of chip forming cryogenic temperature extrusion machining of 6061-T6 aluminum alloy[J]. Tool Engineering, 2024, 58(8):59-65.铝合金因具有良好的抗氧化性和抗腐蚀性，被广泛应用于一些有特殊要求的工业结构中。但在金属切削加工的过程中，铝合金的加工难度较高，还会产生大量切屑，造成材料浪费，增加制造成本，因此对切屑进行合理的回收利用可以有效节约资源，降低成本。大塑性变形工艺可以细化材料晶粒，改善其各项性能，实现对切屑的二次利用。常见的大塑性变形工艺有等径角挤压、高压扭转、累计轧制以及往复挤压等，这些工艺存在着设备成本较高、加工过程中重复次数过多、难以控制变形区参数等缺点。常温挤出式切削（Room Temperature Extrusion Machining，RT-EM）可以只通过一步切削，直接将切屑加工成可利用的具有规则形状的切屑带材，能很好地克服常规大塑性变形法的缺点。对于大塑性变形法的研究，Iglesias P.等发现，通过挤出式切削制备的超细晶纯铜与常规铜材相比具有更优的耐磨损性能，且摩擦磨损与切屑的微观结构有直接关联。Arunprasath K.等研究表明，低温等径角挤压加工技术可以提高6065铝合金的延展性和可加工性，其硬度和强度也有所增加。Palaniappan K.等首先对Ti-6Al-V4进行冷轧处理，再进行挤出切削，加工出比较连续的切屑带材，改善了其各项性能。文献应用大应变挤出切削方法加工出纳米晶铜材料，并应用有限元方法对比分析了不同切屑厚度和压缩比的影响。在挤出式切削中，等效应变、等效应变率、等效应力、切削温度和切屑形态等参数都能直接或间接地反映切屑的成形效果，通过对刀具前角和压缩比的控制进而调控这些参数，可以有效地提高切屑质量，降低制造成本。深冷挤出切削（Cryogenic Temperature Extrusion Machining，CT-EM）引入限制刀具，用液氮作为降温介质，通过调节切削刀具和限制刀具可以更准确地控制切屑的尺寸形状，深冷处理可以控制挤出切削产生的切削热，增加材料的强度。目前，将深冷挤出式切削技术应用到铝合金车削加工的研究较少，尤其是有限元分析方面，本文以6061-T6铝合金作为工件材料，建立深冷挤出式切削的Deform三维有限元模型，对比分析不同刀具前角、压缩比对切屑内部产生的等效应变、等效应变率、等效应力、切削温度和切屑形态产生的影响，总结相关规律，弥补国内外对于低温挤出式切削相关领域研究的不足。采用Deform-3D建立有限元仿真模型，对深冷挤出式切削和常温挤出式切削过程进行模拟仿真。简化后的工件和组合刀具见图1，分为物料、切削刀具和限制刀具三部分，切削厚度为0.5mm。压缩比λ为挤压厚度与切削厚度的比值，仿真中压缩比λ分别取1.4，1.6，1.8。工件材料选择Deform工件库中的6061-T6铝合金，刀具材料选择库中的WC硬质合金刀具。切削刀具前角α=0°，5°，10°，后角β=5°，限制刀具和切削刀具的前刀面平行，后角β=5°，两种刀具和工件共同组合以完成挤出式切削，工件和刀具的材料热力学属性参数见表1。在切削加工的过程中，会产生大量的切削热和形变，而切削热和应变会影响屈服应力，且整个加工过程在超低温环境下进行，因此本文的本构模型选择Deform默认的模型，包含应变、应变率，温度参数和流动应力模型，公式为式中，![]()
为流动应力；![]()
为等效塑性应变；![]()
为等效塑性应变率；T为温度。合适的网格可以提高模拟的精确性，节约模拟时间，提高模拟效率。对切削刀具和限制刀具与工件接触的部分区域进行局部细化，网格比为1，细化区域网格比为0.1，网格密度为100000，且细化区域会随着刀具的运动而同向移动。切削和限制刀具网格比为1，网格密度为50000。边界条件设置：将工件的前表面、下边面和左表面在X，Y和Z方向上的速度均设置为0。切削刀具和限制刀具以相同的速度v=92mm/s沿X轴负方向移动。将工件与刀具之间的热传递系数设置为40N/（s·mm·℃），环境温度为20℃，刀具与工件之间的摩擦系数设置为0.6。为了模拟深冷切削中的超低温环境，需要设置一个超低温框，如图2所示，设定该框内的温度为-196℃，与外界的热传递系数为5000N/（s·mm·℃），且该区域会随着切削刀具向X轴负方向同步移动。在挤出式切削中，等效应变是关键参数之一，其在一定程度上可以反映切屑的变形程度。图3为不同刀具前角下CT-EM和RT-EM的等效应变分布图，各组压缩比λ=1.6（进行刀具前角分析时压缩比λ均为1.6），可以看出，等效应变主要集中在刀—屑接触区域和切屑的根部，这是因为切屑在经过第Ⅰ变形区后会与组合刀具摩擦，发生二次形变，应变也会集中在刀—屑接触区域。随着刀具前角的增大，最大等效应变值和分布区域逐渐减小，而且CT-EM切屑的最大等效应变和分布范围比RT-EM更大。在切屑内沿弧线ABC方向取若干参考点来获取相关数据，如图4所示。图5为不同刀具前角下CT-EM和RT-EM的等效应变率沿切屑内弧线ABC方向的变化。可以看出，随着切削进行到第Ⅰ变形区之后，等效应变率开始急剧增大至峰值随后又迅速减小，且集中在第Ⅰ变形区域呈带状分布。CT-EM和RT-EM在不同刀具前角下的最大等效应变率数值分别为464.4，445.6，419.3和447.6，422.1，404.5，可见，随着前角增大，最大等效应变率变化不大，呈略微下降的趋势。值得注意的是，CT-EM由于受到超低温的影响，材料性质发生了变化，各组的等效应变率都要高于RT-EM。切削过程中，刀具与工件产生剧烈摩擦，工件自身会发生剧烈的塑性变形，使切屑温度快速上升，切屑内部会因温度的升高而发生一些性能的改变，最终影响切屑的各项性能。图6为CT-EM和RT-EM在不同的刀具前角下的切削温度分布。可以看出，RT-EM的最高温度集中在已加工区域和切屑根部，且在切屑内呈梯度分布，随着刀具前角的增大，最高切削温度分别为140℃，130℃，118℃，切削温度随刀具前角增大逐渐减小。而CT-EM由于施加了局部低温处理，且低温区域会随着刀具移动，工件后半部分并没有直接接触到低温区域，故最高切削温度不在切削区，从图中可以看出切削温度下降明显，可以有效抑制切削过程中产生的切削热，随着刀具前角的增大，切削温度变化不明显。(a)CT，α=0° (b)CT，α=5° (c)CT，α=10°(d)RT，α=0° (e)RT，α=5° (f)RT，α=10°图7为CT-EM和RT-EM在不同刀具前角下的等效应力分布。可见，最大等效应力集中分布在切屑根部以及限制刀具的下压部位处，并以这两个区域为中心向外呈辐射状，而且随着前角的增大，最大等效应力呈略微下降趋势，但相差不大。整体上看，CT-EM的最大等效应力分布比RT-EM更广，这是因为CT-EM经过了超低温处理，材料的内部性能有所提升。(a)CT，α=0° (b)CT，α=5° (c)CT，α=10°(d)RT，α=0° (e)RT，α=5° (f)RT，α=10°图8为CT-EM和RT-EM在不同刀具前角下的等效应力沿图4所示弧线CBA方向的变化曲线。可以看出，等效应力先是迅速增大后缓慢增加，随后又迅速减小，最大等效应力集中在切屑的根部和限制刀具与切削刀具的拐角处，并且往切屑的顶端逐渐减小，因为切屑和刀具的分离位置产生最大的等效应力，限制刀具也会挤压和摩擦材料。对于RT-EM来说，随着前角的增大，最大等效应力的分布范围逐渐减小。对于CT-EM来说，在α=5°时的最大等效应力分布范围最小，在α=0°和10°时的最大等数应力分布范围要比RT-EM更广。从数值上来看，刀具前角的变化对切屑的最大等效应变影响不大。图9为不同压缩比下等效应变分布，各组刀具前角α=5°（进行压缩比分析时刀具前角均为5°）。可以看出，等效应变在切屑内呈梯度分布，最大等效应变主要集中在刀—屑接触区域。随着压缩比的增大，切屑内的最大等效应变值和分布区域更大、更广，这是因为随着压缩比增大，切屑的长度变短，等效应变的分布梯度也会减少，等效应变会更加均匀。CT-EM的等效应变值比RT-EM的更大，分布区域也更广，这是因为深冷加工使材料的加工性能有所提升，有更好的变形能力。(a)CT，λ=1.4 (b)CT，λ=1.6 (c)CT，λ=1.8(d)RT，λ=1.4 (e)RT，λ=1.6 (f)RT，λ=1.8图10为不同压缩比下CT-EM和RT-EM的等效应变率沿切屑内弧线ABC方向的变化曲线。可以看出，随着切削进行到第Ⅰ变形区，等效应变率开始急剧增大至峰值后又迅速减小，且集中在第Ⅰ变形区域呈带状分布。RT-EM和CT-EM在不同压缩比下的最大等效应变率数值分别为435.5，419.9，407.5和460.8，445.6，414.9，可见，随着压缩比增大，等效应变率呈下降趋势，这是因为压缩比增大后切屑受到的压力减小，剪切变形的区域变得分散，等效应变率减小。CT-EM由于受到超低温影响，材料性质发生了变化，各组的等效应变率高于RT-EM。图11为CT-EM和RT-EM在不同压缩比下的切削温度分布。可以看出，切屑温度呈梯度变化。对于RT-EM来讲，第Ⅱ变形区及已加工区域的温度较高，随着压缩比增大，温度集中范围呈逐渐减小的趋势，切削最高温度区出现在切屑根部，即材料发生剪切变形和摩擦最严重的区域，受热扩散的影响，远离切屑根部的切削温度逐渐降低，而且随着压缩比的不断增大，切削温度呈下降趋势。对于CT-EM来说，因为持续施加了低温影响，故在第Ⅱ变形区和已加工区域温度较低，不同压缩比下的温度没有明显变化。RT-EM和CT-EM在不同压缩比下的最高温度分别为34.6℃，31.7℃，20℃和145℃，135℃，130℃，最高温度逐渐下降，但与其他变量相比，温度变化幅度较小，而CT-EM的温度变化不大。(a)CT，λ=1.4 (b)CT，λ=1.6 (c)CT，λ=1.8(d)RT，λ=1.4 (e)RT，λ=1.6 (f)RT，λ=1.8图12为不同压缩比下的等效应力分布，可以看出，应力最大值出现在刀尖与限制刀具拐点处。随着压缩比的不断变化，最大应力值呈下降趋势，但整体变化不大，CT-EM的最大应力比RT-EM分布范围更大。(a)CT，λ=1.4 (b)CT，λ=1.6 (c)CT，λ=1.8(d)RT，λ=1.4 (e)RT，λ=1.6 (f)RT，λ=1.8图13为CT-EM和RT-EM的等效应力沿切屑内弧线CBA方向的分布曲线，可以看出，等效应力先迅速增大后缓慢增加，在达到顶点后又迅速下降。最大等效应力集中在切屑根部与切削刀具和限制刀具拐点处，越靠近切屑的顶部最大等效应力越小。对于CT-EM来说，压缩比的变化对等效应力分布范围的影响要大于RT-EM，最大等效应力彼此相差不大，但CT-EM在压缩比为1.4和1.6时的等效应力分布范围比CT-EM更广。对于挤出式切削来说，切屑的形态能一定程度上反映材料内部的晶粒分布情况，从而间接反映材料的一些性能参数。图14为CT-EM和RT-EM的切屑形态对比，参数分别为α=10°，λ=1.6和α=5°，λ=1.6。因为施加了超低温处理，材料的内部性能有所改善，CT-EM的切屑边缘较RT-EM略为平整，切屑的形态较为规整，更利于后续处理。CT-EM切屑的顶端较RT-EM弯曲程度略高，说明前者切屑的变形更为充分。对于切削刀具、限制刀具和切屑之间的空隙部分，CT-EM比RT-EM空隙更小，说明前者切屑的填充率更高，且随着前角和压缩比的减小，切屑的成形效果更好。通过深冷挤出式切削和常温挤出式切削加工铝合金材料过程的有限元仿真，对比分析不同刀具前角、压缩比对等效应变、等效应变率、等效应力、切屑温度和切屑形态的影响，得到以下结论。（1）等效应变集中在切屑和刀具前刀面的接触区域，最大等效应变的值和分布区域随着前角的增大而逐渐减小，随着压缩比的增大而逐渐增大，且在相同切削参数下，CT-EM的最大等效应变值和分布区域更大。（2）等效应变率集中在相对较窄的区域，随着前角和压缩比的增大而减小，且在相同切削参数下的CT-EM的最大等效应变率更大。（3）最大切削温度集中在已加工区域和切屑根部，随着前角和压缩比的增大而减小，且CT-EM的切屑温度大幅降低，不同切削参数下的切削温度变化程度要比RT-EM更小。（4）最大等效应力集中在切屑根部以及限制刀具的下压部位处，随着前角的增大，最大等效应力的分布范围逐渐减小，压缩比变化对CT-EM的等效应力分布范围的影响大于RT-EM，且在压缩比为1.4和1.6时的等效应力分布范围比RT-EM的更广。（5）CT-EM的切屑形态比RT-EM更为平整，切屑的填充率更高，变形更为充分，且随着刀具前角和压缩比的减小，成形效果更好。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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