铝硅合金ADC12切削仿真与试验分析
2020-10-15
来源:易榕旅网
第1期 2017年1月 组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique No.1 Jan.2017 文章编号:1001—2265(2017)01—0127—04 DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.035 铝硅合金ADC12切削仿真与试验分析水 毕京宇 ,丛 明 ,刘 冬 ,许修箔 ,赵鑫 (1.大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024;2.大连机床集团有限责任公司,辽宁大连 116620) 摘要:针对某汽油机缸体、缸盖材料——铝硅合金ADC12的高速切削参数的优化选择,采用其John- son.Cook本构模型,在有限元软件ABAQUS中采用热.力耦合分析单元用硬质合金刀具对其进行二 维高速切削仿真,得出该合金在不同切削参数下的切削力大小及变化规律,经过对比分析得出其最 优的切削参数。然后在高速铣床上对该发动机缸体、缸盖材料进行高速铣削试验,将试验结果与仿 真结果进行对比,验证了有限元切削仿真的有效性,为该缸体、缸盖进行高速铣削提供合理铣削参数 的选择依据。 关键词:铝硅合金;ABAQUS;本构模型;有限元切削仿真;切削试验 中图分类号:TH140.7;TG1l1.3 文献标识码:A Cutting Simulation and Experimental Research for Aluminum Silicon Alloy ADC12 BI Jing—yu ,CONG Ming ,LIU Dong ,XU Xiu—bo ,ZHAO Xin (1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 1 1 6024,China;2. Dalian Machine Tool Group Co.,Ltd.,Dalian Liaoning 1 16620,China) Abstract:In allusion to the optimal selection of high—speed cutting parameters of a type of gasoline engine cylinder block,cylinder head material—aluminum silicon alloy ADC12,we could do 2D high speed cutting simulation by carbide cutting tools with thermal—mechanical analysis unit in the finite element software ABAQUS.Then the cutting force and the rule of changes of them under different cutitng parameters were concluded.We can select the optimal one by contrastive analysis.Then we carried out the high speed mill— ing experiments on the engine cylinder block and cylinder head material on high speed milling machine.By comparing the test results with simulation results,the validity of the finite element simulation of cutting was verified.And that can provide reasonable milling parameters selection basis for the high speed milling of the cylinder block and cylinder head. Key words:aluminum silicon alloy;ABAQUS;constitutive modeling;finite element simulation cutting; cutting experiment 0 引言 采用ADC12铝硅合金制造的发动机缸体、缸盖, 不但重量轻、油耗少,而且导热性、抗磁性、抗饰性和机 械Jj ̄a-性均较铸铁好 。高速切削技术具有材料去除 率高、切削力小、工件变形小以及加工精度高等优点, 在发动机缸体、缸盖的加工中应用越来越多 。随着 计算机技术及数值模拟仿真技术的飞速发展,有限元 方法在金属切削加工领域得到了广泛应用,利用有限 元方法不仅可以节约经济成本,而且提高了工作效率, 因此针对铝硅合金ADC12切削参数优化过程中,有限 元切削模拟仿真显得尤为重要。 国内外应用有限元软件对金属或非金属材料进行 切削仿真分析的研究也很多。Zhang Y C 等在 ABAQUS/Explicit中对钛合金Ti一6Al4V进行干切削, 证明了表面剪切应力与接触应力和摩擦系数有关;郭 收稿日期:2016—04—07;修回日期:2016—04—23 淼 在ABAQUS中对LY12合金进行高速切削仿真, 并对其残余应力进行了研究,得出不同切削参数和刀 具参数对残余应力的影响;杨勇等 在DEFORM中通 过研究材料的动态本构关系、切屑分离、刀屑接触等关 键技术建立了正交切削有限元模型,提出材料本构关 系建立方法和切屑断裂能量解释观点。 但是,由于国内对铝硅合金ADC12的高速切削仿 真及工艺技术研究欠缺,导致在实际生产中出现切削 参数欠优化、机床利用率低、主轴转速偏低等一系列问 题。本文针对某汽车发动机缸体、缸盖材料切削参数 欠优化这一问题进行分析研究,对该材料的高速切削 参数进一步优化提供理论和试验基础。 1建立有限元模型 1.1建立模型 切削加工过程是一个复杂的强热力耦合的动态物 基金项目:国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题(201lZX04015—021) 作者简介:毕京宇(1987一),男,山东菏泽人,大连理工大学硕士研究生,研究方向为高速切削与精密加工技术,(E—mail)bijingyu68@163.com。 ・128・ 组合机床与自动化加工技术 第1期 理过程,涉及了弹性力学、塑性力学、断裂力学、热力 学、摩擦学等多学科的交叉 ]。鉴于此,为了减小对其 模拟过程的复杂性,我们进行有限元切削仿真时需对 其进行必要的理想简化 : (1)假设工件材料为理想弹塑性体,且是均匀连 续、各向同性的: (2)在切削宽度远大于切削厚度的情况下,忽略 切削宽度方向的变形,切屑的应力应变状态可近似为 平面应变状态。即在切削变形过程中,节点位移都发 生在垂直于切削刃的平面内; (3)假设刀具为具有钝圆的刚性体。 由于切削宽度远大于切削厚度,因此基于以上假 设,建立如图1所示的二维切削模型。 图1二维切削仿真模型 1.2材料本构模型 该发动机缸体、缸盖材料化学成分及材料物理性 能如表1和表2所示 。 表1 ADC12铝硅合金化学成分表 成份 Si Fe Ca Mg Mn gn Ti Cr Ni Pb AI 含量(%)1O.86 0.69l 1.75 0 266 0.214 0.850 0.452 0.190 0.393 0 295 表2 ADC12铝硅合金及硬质合金刀具的 材料属性各参数值 由于Johnson.Cook本构模型能够较好的反映材料 在切削过程中的应变硬化、应变率硬化和温度效应,因 此在描述该材料物理力学性能时采用了J-C本构模 型: 吖=(A+B 三日)(1+c1n 二)(1一T m) (1) 式中:or 。一Von Mises等效应力; A一材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度; B、n一应变强化系数和硬化指数; 一等效应变; 玉= /8 一无量纲化等效塑性应变, 为等 效应变率,占 为参考应变率; c一应变率敏感系数; T =(T— )/(Tm—Tr)一为无量纲化温度, 其中Tm、Tr分别为材料的熔点和参考温度(取常温), 卜当前温度;m一温度软化系数; 该本构模型为三项乘积的形式,因此可以比较容 易地解耦,我们针对ADC12铝硅合金材料分别进行了 准静态拉伸压缩试验和动态拉伸压缩实验来获取该材 料的J-C本构模型中的参数,如表3所示。 表3 ADC12铝硅合金J-C本构模型参数值 因此其J—C本构模型为: 盯 =(246.5+775.oge。 )(1+0.012521n ) (1-T ) (2) 1.3刀屑接触类型 切屑与前刀面接触的摩擦类型分为内摩擦和外摩 擦。内摩擦实际就是金属内部的滑移剪切,它与材料 的流动应力特征以及粘结面积大小有关;外摩擦力的 大小与摩擦系数以及压力有关,而与接触面积无关。 图2高速切削前刀面法向应力与 摩擦应力分布图 从刀尖到前刀面上某一点处为粘结区,即内摩擦, 其摩擦应力可视为常数,在这一点之后是滑动摩擦区, 摩擦应力沿前刀面切屑流动方向逐渐减小,其规律符 合库伦摩擦定律。整个刀屑接触去屑可用下式描述: frj,= 。忡( 盯 ≥ 。枷粘结摩擦区) ,。、 L r= ( <k 滑动摩擦区) 式中: r为摩擦应力;k 为切削材料剪切流动应力; 为滑动摩擦系数; 为法向压力。 在本仿真试验中,很难确定其内摩擦应力的大小, 因此将刀屑摩擦类型理想化为滑动摩擦,取其摩擦系 数取 =0.2 。 2仿真结果数据处理 在二维切削仿真试验中,我们研究切削参数中的 切削速度、切削深度和切削宽度对切削力、切削温度及 应力应变的影响,得出合理的切削参数。鉴于铝合金 的最佳切削速度范围是1500~4500m/min ,设计以 下试验方案。 2.1切削速度单因素仿真试验 切削速度对切削力、切削温度和加工表面质量有 很大的影响,探究切削速度对上述三因素的影响是切 削参数优化选择的基础。选择切削深度为0.1mm不 变,只改变切削速度,其切削仿真试验结果如表4和图 3所示。 2017年1月 毕京宇,等:铝硅合金ADC12切削仿真与武验分析 ・I 29・ 表4切削速度单因素试验 切削 2 3 4 5 J深度 6 7 ,/N .、/N 、 、7(1lI/' J l1l111 z/f、 … 1 刊、叫叫 1 ● 2 2 2 3 3 2 8 2 0 2 2 3 59 2 2 89 9 2 3 9 9 S 6 3 3 6 2 3 3 4 0 4 0 2 5 2 ● 3 S3 6 3 83 8 2 :耋 引 20 25 图3切削力随切削速度的变化 从&4和J 3 If1的iJ{=验结果可以僻出,随符 削 速瞍的增大, 削力呈现 增大后减小的趋势,这是 为 『I1低速速 削条件下,随着切削速度的提高,切屑 应变牢和变形系数增大, 啊哮擦系数增大,表观为切 削乃增大;高速 削条件下,随着切削速度的增大,山 予材 ̄t-(t9热软化效应作川明显,刀悄 擦系数下降, 屑变形系数减小,导致切_l『Ii变形功和 屑摩擦功减少, 『太I此 削 会‘ 现下降的趋势。 2.2切削深度单因素仿真试验 削深度义称背吃 ,背吃 蜒的增大ljl起切 削腼积增大,从 使切削力增大。在此试验项目巾,切 削参数的选择fu1 5所永.、 从 4中fIJ‘以看m,随着切削深度的增大, 力‘向 和 方向f{{JJoJi ̄[1J力呈现叫 增大的趋势 这是 为对 于l_ 维切削 ;‘,随着【刀削深度17J, ̄ ̄:)Jll,其切削而积不 断增大, 此 削力呈现叫 增大的趋势 表5切削深度单因素试验 ]E , 。 ”j / f / 『 ’ / f 4Ⅶj0{ , 。 , !Inj /・。, [Il “ ・一一.一 一f 1一一—阜===牟二二二二二二二一;—————一 一—-_ } 切削深度hr,m 图4切削力随切削深度的变化 3切削试验验证 鉴于以上仿真试验结果,进行r针对A1)( 12 畦 材料的高速铣filJ试验分析,通过改变其铣削参数 j 测量 其铣削 的大小及变化士见律,从而验 d r数 fff模拟仿真的何效性, 对ADC12合金的高速 削参 数的选择提供J 试验依 )1IIT/r, EL,采用大连机床集Ⅲ生产的VDF一1500: 轴 ●:式高速加 I 心,测力系统采用YI)CB一1HO5 J 乜式一 向【7J削力测艟仪,切削刀 采用直 为{O0111[11、,、 、组 合式硬质合金刀片盘铣 测量原 fnJ 5所爪 图5切削力测量原理图 3.1切削速度单因素试验 …1切削力经验公式Hr知,切削速度计 削力大小的 影响较人,在肜成积J肖瘤之前,切削力随 iIiIJ速 f ̄,'jj-f人 增大,在形成积悄瘤之后义随切削速度的增大 减小. 表6切削速度单因素试验 m J 呼 切i 深度 . .、/N ..,、/N I97 55 l2()97 0 3 234 l() l36 97 二27.49 l54 76 237 34 l98 l6 335 9 244 53 4l5.()7 266 l4 263.42 227 9I 图6切削力随切削速度的变化 由表6的数据干lI 6 II1的}}}{线变化情况【IJ‘ j, 1 切削速度小f 30m/s时, 削力随 削速度的增大 逐渐增大,这是 为随着主轴转速的增大,刀具埘 十 的冲击力频牢增大,从 增大了EU削乃; 切削速发大 卜30m/s时,Ⅵ削乃随 削速度的增大 减小,这是 为此时切削温度的影响f 掘了主 地位,切削濉度的 升离使刀屑摩擦系数下降,变形系数减小,所以 削力 呈现下降的趋势 3.2切削深度单因素试验 切削深度义称背吃 量,背吃/『J 的增大引起切 ・130・ 组合机床与自动化)3 ̄n-技术 深度的增大,切削力急剧增大; 第1期 削面积增大,从而使切削力增大。下面用试验研究切 削力随切削深度变化的影响程度。 表7切削深度单因素试验 (2)当切削速度小于30m/s时,切削力随切削速 度的增大逐渐增大,当切削速度大于30m/s时,切削力 随切削速度的增大而减小。 基于以上结论,在铣削时为了减小铣削力,我们应 尽量选择较小的背吃刀量,铣削线速度大于30m/s时 选择较大的切削速度。 [参考文献] [1]何一冉,丛明,毕京宇,等.ADC12铝硅合金高速铣削稳 定性实验研究[J].组合机床与自动化加工技术,2014 (12):10—13. 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