目前，國內對於（yú）6005A鋁合金大型薄壁中空結構件的高速數（shù）控加工存在諸多問題，如數控加工效率較低、刀具（jù）損耗大、銑（xǐ）削速度較高時出現崩（bēng）刃、打筋等，這些問題嚴重影響了企業生產效益。因此（cǐ），研究6005A鋁（lǚ）合金的高速銑削（xuē）加工機理，以（yǐ）解決生產中出現的問題，具有重要的現實意義。

      在銑削加工過程中，切削力決定切削熱的產生，並影響（xiǎng）刀具使用壽命、加工精度和加工表麵質量，研究切（qiē）削力的規律和計算方法有助於分析銑削機理。解析法和實驗法是研究切削力的主要方法，但（dàn）隨著計算機技（jì）術的發展，有限元數值模擬方法為研究切削過程中的切削力提供了新的方法。國內外學者在二維、三維正（zhèng）交切削數值模擬方麵做了很多的工作，取得了豐碩的（de）成果，然而針對6005A鋁合金的高速數控銑削加工的研究還未見報道。因此（cǐ）本（běn）課題采用三維斜角切削數（shù）值（zhí）模擬的方法，對6005A鋁合金高速銑削過程中的切削力變化規律進行探討，為優選和優化（huà）高速銑削6005A鋁合金結構件的刀具幾何（hé）參數提供依據。

      6005A鋁合金材料特性

      6005A合金是（shì）在6005合（hé）金的基（jī）礎上發展的一種中等強度Al-Mg-Si係合金，具有優良的擠壓性、焊接（jiē）性和耐腐蝕性，廣泛應用於地鐵和巴士車（chē）體結構件、鐵塔平台、管道設施等。6005A鋁合金的主要化（huà）學（xué）成分和材料基本性能參數如表1和表2所（suǒ）示。

      有（yǒu）限元模型建立

      1 熱力耦合有限元控（kòng）製方程

      在金屬切削加工（gōng）時，隨著刀具的進（jìn）給，材料（liào）應力（lì）不斷增加。當應力超出（chū）彈性（xìng）範圍時，材料發生塑性變形（xíng）。塑性變形功和刀（dāo）屑之間的摩擦功轉變成熱而引起（qǐ）溫度（dù）的升高，從而由於（yú）溫度的升高產生熱應變。在不考慮彈性蠕變的情況下，彈塑性區域的總應變分量dε 可以表示為：

dε=dεel+dεpl+dεT  （1）

      式中，dεel 為彈性應變增量；dεpl為塑性應變增量；dεT為（wéi）熱應變（biàn）增量（liàng）。

      基於虛功原（yuán）理和大應變、大變形理（lǐ）論，在不考慮體力的情況下，建立熱-力耦合彈塑性控製方程

Kep+ [KG]d˙=∫[Bε]T Depεt } dV?[Bε]T {R˙ εT} dV +˙F （2）

      式中，[Kep] 為彈塑性剛度矩陣；[KG]為幾何剛度（dù）矩陣；d為節點速（sù）度；{R˙ εT}為相對（duì）溫度和等效應變率的變化率；˙F為外部載荷的變化率，包括實際載荷變化率（lǜ）和（hé）由變形體形狀（zhuàng）改變引起的載荷變化率（lǜ）。

      2 幾何模型

      3 材料模型

      材料模型的正確定義是金屬切削過程數值模擬成（chéng）功的一（yī）個關鍵因素（sù）。有限元軟件用一係（xì）列（liè）直線段連接給定的（de）真實應力- 應變數據對（duì）來形成連（lián）續的、分段線性的塑性曲線，可以用（yòng）任意多的數據對來逼近實際的材料行為，從而可得到近似於真實材（cái）料的塑性行為。圖1為通過拉伸試驗得到的6005A鋁合金的工程應力應變曲線。

      通過拉伸試驗得到工程應（yīng）力-應變數據，需要轉換為真（zhēn）實應力-應變。真實應力-應變和工程應力（lì）-應變的轉換關係為：

σ = σnom（1+εnom） （3）

ε = ln（1+εnom） （4）

      式中（zhōng），σ為（wéi）真實應力； σnom為名（míng）義應力；ε為真（zhēn）實應變；εnom為名義應變。#p#副標題#e#

      試驗數據中得出的（de）應變（biàn）為總（zǒng）體應變，因此將總體應變分解為彈性應變和塑性應變分量。彈性應變等於真實應（yīng）力與楊氏模量的比值，則塑性（xìng）應變等於總體應（yīng）變減去彈性應變。表3為經過數據整理計算後得到的6005A鋁合（hé）金的真實應力-應變數據。在有限元軟件（jiàn）中，輸入材料的塑性參數時（shí），初始真實（shí）應變必須為0。通過在ABAQUS有限元（yuán）軟件包Property模塊中（zhōng）選擇Mechanical→ Plasticity→Plastic，輸（shū）入表3中（zhōng）所給出的6005A鋁合金的真實塑性應力-應變數據，來描述實際的材料行（háng）為。

      4 刀（dāo）具切（qiē）屑接觸摩擦特性

      金屬切削過程即刀具與工件相互運（yùn）動並相互作（zuò）用（yòng），使切削層金屬（shǔ）與工件母體金（jīn）屬分離開來。切削層金屬在刀具刃口（kǒu）和前刀麵的擠壓（yā）、摩擦作用下發（fā）生（shēng）剪切滑移變形和（hé）摩擦變形而形成切屑（xiè）。前（qián）刀麵和切（qiē）屑的接觸（chù）區域（yù）分為滑移區和黏（nián）結區。在黏結區，切削時產生的高溫和高（gāo）壓使得（dé）切屑（xiè）底層材料軟化，切（qiē）屑底層的金屬材料黏嵌在前刀（dāo）麵上，實際上是金屬內部的（de）剪切（qiē）滑移，刀屑接觸點處的摩擦剪應（yīng）力等於臨界剪切流動應力。在滑移區服從庫侖摩擦（cā）定律（lǜ）。刀屑摩擦特性表示為：

τ =μσn (σn < τpμ)

τp (σn τpμ) （ 5）

      式中，τ為摩擦應力；τp為材料的最大剪（jiǎn）切應力；σn為前刀麵正應力；μ為摩擦係數（shù）。

      但是滑移區的摩擦（cā）係數是（shì）要通過分析刀具（jù）前麵的應力分布情況計（jì）算出來，因此本課題采取平均摩（mó）擦係數的方法，把摩擦係數設置為0.3，最大剪應力設為205MPa。

      5 網格劃分

      工件和刀具均采（cǎi）用8節點六麵體熱力（lì）耦合（hé）線性減縮（suō）積分單元C3D8RT進行網（wǎng）格劃分（fèn），采用增強沙漏控（kòng）製。為了提高數值模擬精度（dù）和減少計算機時（shí），隻對（duì）切屑層和刀尖處進行了網格細化（huà）。因為刀具和工件的硬度相差很大，所以分析時視刀具為（wéi）剛體，刀刃絕對（duì）鋒利。工件共劃分8280個單元（yuán），刀具共劃分480個單元，有限元模型如圖2所示，其中工件尺寸為5mm×1mm×1mm。

      數值模擬結果及分析（xī）

      利用（yòng）ABAQUS有限元軟件對車輛（liàng）鋁合金材料6005A高速銑削加工進行了數值模擬，模擬時刀具（jù）從圖2所示位置開始切削，沿X方向做（zuò）進給運動，邊界條（tiáo）件如圖2所示，約束工件底（dǐ）麵6個自由度（dù），刀（dāo）具除（chú）X方向移動自由（yóu）度外，其餘全部受到約束。刀具材料選擇硬質合金立銑刀，牌號為（wéi）K20，彈性模量為600GPa，泊鬆比為0.25。模擬采用的切（qiē）削參數: 進給速度為3m/min，切削深度為0.2mm，切（qiē）削寬度為1mm。

      在切削參數一定的情況下，模擬不同刀具前角和刃傾角情況下的斜角切削過程，分析刀（dāo）具幾何角度（dù）變化對切削力的影響。表4給出了2組模擬條件。在高速切削的條件下，刀具前角（jiǎo）對切削過程的影響更大，因此在第一組的模擬條件中（zhōng），變化刀具前角，後角和刃傾（qīng）角為目前正在使用的刀具的參數一致。在第二組的（de）模擬條件中，在高速銑削時，為了減小刀（dāo）具——工件之間（jiān）的摩擦，綜合考慮（lǜ）可以將後角選為12°以上，本課題選擇13°進行模擬，分析刃傾角對切削力的（de）影響。