目前，國內對於6005A鋁合金大型薄壁中空結（jié）構件的高速數控加工存在諸多問題，如數控加工效率較低、刀具損耗大、銑削速度較高時（shí）出現崩刃（rèn）、打筋等（děng），這些問題嚴重影響了企（qǐ）業生產效益。因此，研（yán）究6005A鋁合金的高速銑（xǐ）削（xuē）加工機理，以解（jiě）決生產中出現的問題（tí），具有重要的現實（shí）意義（yì）。

      在銑削加工過程中，切削力決定切削熱的（de）產生，並影響刀具使用壽命、加工精度和加工表麵質量，研究切削力的規律和計算方法有助於分（fèn）析（xī）銑削機理。解析法和實驗法是研究切（qiē）削力的主要方法，但隨著（zhe）計（jì）算機技術的發展，有限元數值模擬方法為研究切削過程中的切（qiē）削力提供了新的方法。國內（nèi）外學者在二（èr）維、三維正交（jiāo）切削數值模擬方麵做了很多的工作，取得了豐碩的成果，然而針對6005A鋁（lǚ）合金的高速數控銑削加工的研究還未（wèi）見報道。因此本課題采用三維斜角（jiǎo）切削數值模擬的方法，對6005A鋁合（hé）金高速銑（xǐ）削過程中的切削力變化規律（lǜ）進行探討，為優（yōu）選和（hé）優化高速銑削6005A鋁合金結構件的刀具（jù）幾何參（cān）數提供依據。

      6005A鋁合金（jīn）材料（liào）特性

      6005A合金是在6005合金的基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、焊接性和耐（nài）腐蝕性，廣泛應用（yòng）於地鐵和巴士車體結構（gòu）件、鐵塔平台、管道設施等。6005A鋁合金的主（zhǔ）要（yào）化學成分和材（cái）料基本（běn）性能（néng）參數如表1和（hé）表2所示。

      有限元模型建（jiàn）立（lì）

      1 熱力耦合有限（xiàn）元控製方（fāng）程

      在金屬切削加工時，隨（suí）著刀（dāo）具的進給，材（cái）料應力不斷增加。當應力超出彈性範圍時，材料（liào）發生（shēng）塑性變形（xíng）。塑性變形功和刀屑之間的摩擦功轉（zhuǎn）變成熱而引起溫度的升（shēng）高，從而由於溫（wēn）度的（de）升高產（chǎn）生熱應變。在不考慮彈性蠕變的情況下（xià），彈塑性區（qū）域的總應變分量dε 可以表示為：

dε=dεel+dεpl+dεT  （1）

      式中，dεel 為彈（dàn）性應變增量；dεpl為塑性應變增量；dεT為熱應變增（zēng）量。

      基於虛功原理和大應變、大變形理論，在不考慮體力的情況下（xià），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（shì）中，[Kep] 為彈塑性剛度（dù）矩陣；[KG]為幾何剛度矩陣；d為節（jiē）點（diǎn）速度（dù）；{R˙ εT}為相對溫度和等效應變率的變化率；˙F為外部載荷的變化率（lǜ），包括實際載荷變化率和由變形體形狀改（gǎi）變引起的載荷變化率。

      2 幾何模型

      3 材料模型

      材料（liào）模型（xíng）的正確定義是金屬切削過程數值模擬成（chéng）功（gōng）的一個關鍵因素。有限元軟件用一係列直線（xiàn）段連接給定的（de）真實應力- 應變數（shù）據對來形成連續的、分段線性的塑性曲線，可以用任意（yì）多（duō）的數據對來逼近實際的材料行為（wéi），從而可得到近似於真實材料的塑性行為。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（xiàn）。

      通過拉伸（shēn）試驗（yàn）得到工程應力（lì）-應變數據，需要（yào）轉換為真（zhēn）實（shí）應力-應變。真實應力-應變和工程應力-應變的轉換關係為：

σ = σnom（1+εnom） （3）

ε = ln（1+εnom） （4）

      式中，σ為真實應力； σnom為名義應力；ε為真實應變（biàn）；εnom為名義應變（biàn）。#p#副標（biāo）題#e#

      試驗數據（jù）中得出的應變為總體應變，因此（cǐ）將總體應變分（fèn）解為彈性應（yīng）變和塑性應變（biàn）分量（liàng）。彈（dàn）性應變等（děng）於真實應力與楊（yáng）氏模量的比值，則塑性應變等於總體應變減去彈性應（yīng）變。表3為經過數據整理計算後得到的6005A鋁合金的真實應力-應變數據（jù）。在有（yǒu）限元軟件中，輸入材料的塑性參數（shù）時（shí），初始（shǐ）真實應變必須為0。通過在ABAQUS有限元軟件包Property模塊（kuài）中（zhōng）選擇Mechanical→ Plasticity→Plastic，輸入表3中所（suǒ）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（liào）行為。

      4 刀具切屑接觸（chù）摩擦特性

      金屬切削過程（chéng）即刀具與工件相互運（yùn）動（dòng）並相互作用，使切（qiē）削層金屬與工件母體金屬分離開來。切削層金屬在（zài）刀具刃口和前刀麵的擠壓、摩擦作（zuò）用下發生剪切滑移變形（xíng）和摩擦變形而形（xíng）成切屑。前刀麵和切屑的接觸區域分為滑移區和黏結區。在黏結區，切削時產生的（de）高（gāo）溫（wēn）和（hé）高壓（yā）使得切屑底層材料軟化，切屑底層的（de）金屬（shǔ）材料黏嵌在前刀麵上，實際上是金屬內部的剪切滑移，刀屑接觸點處的摩擦剪應力等於臨（lín）界剪切流動應力。在（zài）滑移區服（fú）從庫侖摩擦定律。刀屑（xiè）摩擦特（tè）性表示為：

τ =μσn (σn < τpμ)

τp (σn τpμ) （ 5）

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

      但（dàn）是滑移區的摩擦係數是要通過分析刀具前麵的（de）應力分布情況計算（suàn）出來，因此本課（kè）題（tí）采取平均摩擦係數的方（fāng）法，把摩擦係數設置為0.3，最大剪應力設為（wéi）205MPa。

      5 網格劃分

      工件和刀具均采用8節點（diǎn）六麵體（tǐ）熱力耦合線性減縮積分單元C3D8RT進行網格劃（huá）分，采用（yòng）增強沙漏（lòu）控（kòng）製。為了提高（gāo）數值模擬精度和減少計算機時（shí），隻對切屑層和刀尖處進行了網格細化（huà）。因為刀具（jù）和工件的硬度相（xiàng）差很大，所以分析時視刀（dāo）具為（wéi）剛體，刀刃絕（jué）對鋒利。工件共劃分8280個單元，刀具共劃（huá）分（fèn）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（mó）擬結果及分析

      利用ABAQUS有限元軟件對車輛鋁合金材料6005A高速銑（xǐ）削加工進行了數值模擬，模擬時刀具從圖2所示位置開始切削，沿X方向做進給運（yùn）動，邊（biān）界條件如圖2所示（shì），約束工件底麵6個（gè）自由度，刀具除X方向移動自由度外，其餘全（quán）部受到約束。刀具材料選擇硬（yìng）質合金立銑刀，牌號為K20，彈性模量為600GPa，泊鬆比為0.25。模擬采用的切削參數: 進給速度為3m/min，切削深度為0.2mm，切削寬度為1mm。

      在切削參數一定的（de）情（qíng）況下，模擬不同刀具前角和刃傾角情況（kuàng）下的斜角切（qiē）削過程，分析刀具（jù）幾何角度變化對切削力的影響（xiǎng）。表4給出了2組模擬條件。在高速切削的條件下（xià），刀具前角對切削過程的影響更大（dà），因此在第一組的模擬條件中，變化（huà）刀具前角，後角和刃傾角為目前（qián）正在使用的刀具的參數一致。在第二組（zǔ）的模擬條件中，在高速銑削時，為了減小刀具——工件之間的摩擦，綜合考慮可以（yǐ）將後角（jiǎo）選為12°以上，本課（kè）題選擇13°進行模擬，分（fèn）析刃傾角對切削力的影響。