基于真实轨迹的高强度铝合金铣削加工数值模拟*



基于真实轨迹的高强度铝合金铣削加工数值模拟*

张艳岗1,苏铁熊1,毛虎平1,王连宏2,卢继平3

(1.中北大学 机械与动力工程学院,太原 030051; 2.山西柴油机工业有限责任公司,山西 大同 037036; 3.北京理工大学 机械与车辆学院,北京 100081)

为避免铣削加工仿真时由于似建模带来的误差,对铣削加工仿真模型构建方法进行了研究,在分析了铣削加工时工件和刀具的运动规律的基础上,提出了一种基于真实轨迹的工件模型和三维螺旋刃铣刀模型的构建方法,并进一步进行了高强度铝合金铣削加工数值模拟,得到了铣削过程中切屑形状和切削力、切削温度随时间的变化规律。通过与基于近似轨迹的铣削加工数值模拟结果对比分析表明,文中的提出基于真实轨迹的铣削加工数值模拟更加接近实际加工,论文研究成果可为材料铣削状态预测及切削参数的设计优化提供参考。

高强度铝合金;铣削加工;次摆线;螺旋刃铣刀;数值模拟

0 引言

铣削加工过程是铣刀绕自身轴线的旋转和工件相对于铣刀轴线平移进给的复合运动,这种复合运动使切削刃上的每一点相对于工件的运动轨迹为一条次摆线,经次摆线运动轨迹的铣刀加工得到的切屑是变厚度切屑。而众多学者在研究铣削加工时,考虑到铣削加工中真实切削层的最大厚度很小,将次摆线轨迹近似简化为圆弧[1-2]。简化后的刀尖轨迹相当于考虑了刀具的旋转运动,而没有考虑刀具的进给运动,因此本文在充分研究铣削加工的运动规律基础上,分别建立了基于真实轨迹和近似轨迹的工件-刀具切削有限元模型,并在此基础上开展了铣削加工的数值模拟。

1 铣削加工仿真建模

1.1 工件模型的构建

(1)基于真实轨迹的工件模型

铣削加工时,刀具的运动包括绕自身轴线的旋转运动和进给方向的平动。铣刀刀尖可被看作是从刀具中心出发的径向射线上距离旋转中心为R的某一点,切削加工时其运动轨迹形成一条次摆线,做次摆线运动的刀刃切削工件时产生变厚度切屑。让一个基圆(半径为r)在一条水平线上纯滚动,这时基圆上的某一点的轨迹为摆线, 而从圆心出发的超过圆弧外的延长线上的某一点的轨迹为次摆线[3]。铣削过程中刀尖运动的真实轨迹(摆线)所对应的参数方程[4]为:

(1)

式中,+号表示逆铣;-号表示顺铣;φ为刀尖的旋转角度;R为铣刀的半径;r为基圆半径。

在三维建模软件中,构建式(1)参数方程所示曲线,得到铣削过程中刀尖运动的真实轨迹(摆线)如图1所示。

图1 铣刀刀尖次摆线轨迹示意图

刀尖的初始位置为坐标系原点,左侧为铣刀旋转2圈后位置。以此方法构建2齿铣刀刀尖切削运动轨迹,刀齿1和刀齿2刀尖轨迹所围成的部分既为边厚度切削层,切削层和工件模型见图2。

图2 次摆线工件模型及两齿铣刀切削层示意图

(2)近似轨迹工件模型

由于铣削加工中真实切削层的最大厚度很小,通常采用切削面积等效原则将次摆线轨迹近似为圆弧。首先将铣削过程中工件横截面内的变厚度切削层(图3)转换为等面积的等效厚度切削层(图4),并将圆弧形切削层转换为直线切削层,使刀具相对于工件的旋转——平移符合运动转换成相对平移运动。然后,以此模型分析铣刀从切入到切出的整个过程中的切削力、切削温度、应力应变等切削物理量。

图3 铣削过程中的变厚度切削层

图4 简化后的近似轨迹切削层

1.2 三维螺旋刃铣刀模型的构建

整体平头立铣刀主要由刃部、颈部和柄部三部分组成。刃部是立铣刀最复杂也最关键的部分,平头立铣刀的刃线是一条以特定螺旋角沿柱面上升的螺旋线。在传统的平面设计中,一般是按容屑槽的端截面进行截形设计,将导致在法向截面内不能成功地保证齿刃前刀面的直线形状和容屑槽底的圆弧[5]。本文在得到立铣刀刃线之后,进行扫描混合建立刃部实体(见图5)。

图5 立铣刀刃部法向截形及切削刃模型

图6 立铣刀简化模型

在满足有限元分析精度的同时,为了尽量减少网格数量,减少计算时间,将芯部做适当简化,只精确画出了参与切削的切削刃。本文立铣刀模型主要以铣刀的法前角、法后角和螺旋角为主要参数进行建模。立铣刀法前角20°,法后角20°,螺旋角20°,直径为20mm。建立的两齿立铣刀模型如图6。

2 有限元分析前处理

2.1 材料模型

Johnson-Cook材料本构方程是一个能反映金属切削加工中存在的应变硬化、应变率强化效应和温度软化效应的理想刚塑性强度模型,由于形式简单、使用方便,这一模型得到了广泛的应用。为了验证本文仿真结果的有效性,本文中采用文献[6]中给出的高强度铝合金J-C本构关系模型进行分析。

2.2 网格划分

网格划分时要综合考虑计算精度和计算效率。网格数量不宜过多,过多会造成运算时间指数上升。同时,计算机字长和计算机舍入误差的存在,使得网络划分太密,反而会引起误差的累加[7]。

图7 有限元网格模型

采用刚塑性有限元模拟的切屑变形过程是一种典型的高梯度问题,在局部区域内材料产生高温、大变形,需要采用自适应的网格重划技术。随着刀具的进给,正在被加工部分应该实现网格精细处理,而没有加工的部分和加工过的部分,网格应该粗略划分,这样既解决了局部变形的精确求解,又节省了求解时间以及内存的消耗。文中研究中按相对网格划分方式,刀具网格数量为20000,最小单元尺寸为0.08mm,刀刃处进行局部细化,工件网格数量为30000,最小单元尺寸为0.065mm。刀具和工件的有限元网格模型如图7所示。

2.3 边界定义

研究过程中模拟刀具与工件的相对运动,约束工件底部X、Y、Z方向平动自由度,摩擦和传热边界为:刀具和工件的初始温度为室温20℃,刀——屑间的热传递系数为11N/s/mm/℃,刀——屑摩擦系数[9]为μ=0.3。由于铣削过程中几乎所有机械能均转变为热能,故设定功热转换系数[9]为0.9。

3 结果分析

对两种不同轨迹的工件模型进行仿真分析,切削参数为:转速8000r/min,进给速度6000mm/min,切削宽度4.3mm,切削深度3.42mm;采用2齿整体硬质合金立铣刀,弹性模量为600GPa,刀具直径20mm,前角20°,后角20°,螺旋角20°。工件材料弹性模量69GPa,泊松比0.33。切削加工过程中,切削力、切削温度和刀具磨损有密切联系[10]。因此,文中重点研究切削温度和切削力的变化状态。

3.1 切屑形状

图8[11]为分别基于真实轨迹和近似轨迹工件模型仿真分析得到的切屑形状,以及实际加工形成的切屑形状,由图可知,基于真实轨迹计算得到的切屑形状更加接近于实际切屑,模拟结果更加准确有效。

图8 切屑形状示意图

3.2 切削力分析

图9、图10分别为两种轨迹工件模型仿真计算下的一个周期内切削力时间历程。从图中可以看出,基于真实轨迹模拟计算的切削力曲线与文献[7]中实验得到的切削力变化趋势一致,在刀具从切入到切出的过程中,切削力先增大后减小,最大值持续时间短;而图9所示的基于近似轨迹模拟计算得到的切削力变化趋势也是先增大后减小,但在最大值持续时间较长,与实际切削不符,这是由于等厚度切削层的原因。两种模拟得到的切削力曲线的锯齿变化,主要是由于有限元仿真时网格单元的不断分离造成的。

图9 基于真实轨迹模拟计算的切削力曲线

图10 基于近似轨迹模拟计算的切削力曲线

3.3 切削温度

加工过程中产生的切削热引起工件和刀具温度急剧升高,严重影响着刀具寿命、加工精度和加工表面质量。

图11a为工件上最高温度的时域曲线。由图可知,刀具切入工件时,会立刻使工件局部温度升高,随着切削过程的不断进行,切削层厚度不断增加,第一变形区也不断扩大,进而产生更多的切削热,加速工件温度上升;当底部切削刃切出工件时,工件最高温度开始降低,工件材料总变形量减小,主切削力也开始降低,当切削刃完全切出时,即切屑与工件脱离后,工件最高温度突然下降,说明此时的最高温度在刚脱离的切屑上面。图11b为模拟过程中某时刻工件上的温度分布云图,最高温度出现在切削刃附近与前刀面接触的切屑上,温度值为257℃。

图11 工件温度分布

图12a为刀具上最高温度的时域曲线,随着切削过程的进行,刀具温度持续上升,切屑脱离以后,刀具开始自然冷却,由于仿真的初始条件为刀具在室温时开始切削,切削时间短,未达到温度平衡状态,所以刀具温度较低。图12b为某时刻刀具上温度的分布云图,最高温度值为95.4℃,出现在沿刀尖向上的一段距离处的前刀面上。

图12 刀具温度分布

4 结论

(1)论文基于铣削加工时刀具-工件的实际运动规律,提出一种基于铣削加工真实轨迹——次摆线的工件模型和螺旋刃铣刀模型的构建方法,并与基于近似轨迹工件模型的切削仿真分析进行了对比研究,结果表明了本文方法的准确性和有效性,可推广到其他材料的铣削加工仿真研究中。

(2)在基于真实轨迹仿真模型建立的基础上,进行了高强度铝合金铣削加工数值模拟研究,得到了切削过程中切削力、切削热随时间的变化关系,论文研究成果可为材料铣削状态预测及切削参数的设计优化提供参考。

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(编辑 李秀敏)

Numerical Simulation of High-strength Aluminum Milling Based on Real Trace

ZHANG Yan-gang1, SU Tie-xiong1, MAO Hu-ping1, WANG Lian-hong2, LU Ji-ping3

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Shanxi Diesel Engine Industries Corporation.ltd, Datong Shanxi 037036, China)

Abstract:To avoid the error of the milling simulation caused like modeling,research of milling simulation modeling method was carried out and a modeling method was put forward about workpiece model based on real trace and three-dimensional spiral blade cutter model on the basis of the law of motion of the workpiece and tool in the analysis of the milling,And further subjected to numerical simulation of a high-strength aluminum alloy milling, chip shape and variation of cutting force and cutting temperature with time in a milling process was gained. Research results compared with numerical simulation analysis of alloy milling based on approximate trace show that the text of the proposed method based on real-milling machining simulation is more realistic.Results in the text of the dissertation is to provide a reference for the material milling state prediction and design optimization of cutting parameters.

high-strength aluminum alloy;milling; trochoid trace;spiral blade cutter;numerical simulation

1001-2265(2014)01-0153-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.043

2013-06-16;

2013-06-25

国家自然科学基金(51275489),车用动力基础科研创新计划项目

张艳岗(1981—),男,山西原平人,中北大学讲师,博士研究生,主要从事机械设计制造及自动化、结构动态设计及优化等方面的研究工作,(E-mail)zyg31124@163.com。

TH162;TG659

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