高速切削铝合金温度和残余应力的仿真研究

张继林，易湘斌，徐创文，罗文翠，窦建明

（兰州工业学院，甘肃兰州730050）

0 引言

随着制造业快速发展，制造业将面临加工质量和生产效率等问题的挑战。高速切削加工技术具切削速度高、切削热少、切除率大、加工精度高等优点，正好解决制造业的困境。计算机技术的发展，导致有限元仿真技术在高速切削加工中日益显著。利用切削仿真技术，可以得到切削范围的温度和残余应力物理量，能够为实际加工提供参考和指导作用。高强度铝合金具备密度低、比强度高等特点，普遍用于航空、航天、汽车、船舶等领域[1]。影响零件的性能和寿命的因素有切削温度和残余应力，因此研究切削温度和残余应力对切削参数的优化和加工质量的提高有重要意义。

国内外研究者对铝合金切削加工中的切削温度和残余应力进行了一定的试验研究[2-4]。唐绍华[2]考虑了高速铣削热的机理，建立温度场数学模型。王神洲[3]等人研究了切削速度、背吃刀量、刀尖圆角半径对残余盈利的影响。毕运波[4]等人研究了航空铝合金7050-T7451高速切削过程中的温度场分布规律。以上研究只是对切削温度或残余应力单方面进行，加工质量的影响因素众多，相对片面，本文共同研究切削温度和残余应力与切削用量的关系。

本文使用有限元软件AdvantEdge-2D对硬质合金刀具车削铝合金2024-T4的切削仿真，研究了切削参数对切削温度和已加工表面残余应力的影响规律，为切削温度和残余应力深入研究提供理论参考。

1 切削加工有限元建模仿真

建立车削加工模型，使用有限元仿真软件AdvantEdge，进入其界面对工件、刀具、切削参数等进行设置建模，如图1所示。

图1 切削仿真模型

1.1 模拟参数

切削仿真过程的参数具体设置为：工件材料是3 mm×2 mm的铝合金2024-T4，刀具材料为硬质合金（YG），几何角度为：前角 γ0＝ 0°，后角 α0＝ 6°，刃倾角λs＝0，刀尖圆弧半径为0.4 mm，切削刃钝圆半径r＝0.04 mm，初始温度为20℃.车削参数范围：切削速度uc＝800～1 400 m/min、进给量f＝0.05～0.2 mm/r和背吃刀量ap＝0.5～2.0 mm.

1.2 仿真过程分析

根据上述仿真模型，在uc＝800 m/min、f＝0.18 mm/r和ap＝0.8 mm条件下，某一时间时工件、刀具和切屑的温度、残余应力分布分别如图2和3所示。分析过程中，取刀具最高切削温度和工件表面残余应力最大值。

图2 某一时间切削温度

图3 某一时间残余应力

1.2.1 切削速度对切削温度和残余应力的影响

在进给量f=0.18 mm/r和背吃刀量ap=0.8 mm条件下，切削速度uc分别取800 m/min、950 m/min、1 100 m/min、1 250 m/min、1 400 m/min 进行试验仿真，对仿真数据中切削温度最大值、残余应力的最大拉应力和残余应力的最大压应力处理，得到如图4和5所示。

图4 切削速度与切削温度最大值的关系

图5 切削速度与残余应力最大值的关系

从图4中得知，随着切削速度的增加，切削温度逐渐升高，主要是切削速度提高，金属切除率增加，克服金属的摩擦功增加，切削温度增加，具体表现在速度从800 m/min增到1 400m/min，相应的切削温度从366.694℃增加到385.804℃.从图5中得知，随着切削速度的提高，xx面的残余拉应力先降低后增加，残余压应力先增加后降低，转折点分别在950 m/min和1250 m/min，yy面的残余拉应力和残余压应力都先增加后降低，转折点同时在1 250 m/min.

1.2.2 进给量对切削温度和残余应力的影响

在切削速度uc=1 100 m/min和背吃刀量ap=0.8 mm条件下，进给量f分别取0.09 mm/r、0.12 mm/r、0.15 mm/r、0.18 mm/r进行试验仿真，对仿真数据中切削温度最大值、残余应力的最大拉应力和残余应力的最大压应力处理，得到如图6和7所示。

图6 进给量与切削温度最大值的关系

图7 进给量与残余应力最大值的关系

从图6中得知，随着进给量的增加，切削温度直线上升，主要是进给量增加，金属切除率也增加，切削温度增加，具体表现在进给量从0.09 mm/r增到0.18 mm/r，相应的切削温度从355.183℃增加到375.790℃.从图7中得知，随着进给量的提高，xx面的残余拉应力先增加后降低再增加，处于波动状态，残余压应力逐渐降低，yy面的残余拉应力逐渐升高，残余压应力都先降低后增加，转折点0.12mm/r，变化不大。

1.2.3 背吃刀量对切削温度和残余应力的影响

在切削速度uc=1 100 m/min和进给量f=0.18 mm/r条件下，切削速度ap分别取0.5 mm、1.0 mm、1.5mm、2.0mm进行试验仿真，对仿真数据中切削温度最大值、残余应力的最大拉应力和残余应力的最大压应力处理，得到如图8和9所示。

图8 背吃刀量与切削温度最大值的关系

图9 背吃刀量与残余应力最大值的关系

从图8中得知，随着背吃刀量的增加，切削温度基本保持不变，主要是背吃刀量增加，切削温度增加，但是散热面积增加，因此切削温度不变。从图9中得知，随着背吃刀量的提高，xx面和yy面的残余拉应力和残余压应力保持不变。

2 结论

依据高速切削铝合金2024-T4切削温度和残余应力的仿真研究数据，可以得知：随着切削速度和进给量的增加，切削温度呈现上升趋势，残余拉应力和残余压应力具有一定的规律；随着背吃刀量的增加，切削温度、残余拉应力和残余压应力基本稳定。