6061鋁合金超精密切削仿真與實(shí)驗研究

王海龍，王素娟

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 廣州 510006）

6061鋁合金（Al6061）是一種可進(jìn)行熱處理的Al-Mg-Si系合金，通過(guò)金剛石超精密切削Al6061可獲得納米級表面精度，廣泛應用于航天、化工、汽車(chē)制造、光學(xué)器件等領(lǐng)域。金剛石超精密切削Al6061 技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)，如切削參數對表面質(zhì)量的影響［1-3］、材料特性對切削表面質(zhì)量的影響［4-7］、材料特性對金剛石刀具磨損的影響［8］等研究取得了一定的成果。由于在線(xiàn)檢測技術(shù)無(wú)法動(dòng)態(tài)監測超精密切削過(guò)程中，切削熱和切削生成表面等變化特性，有待進(jìn)一步完善，切削仿真技術(shù)具有高效、節能等優(yōu)點(diǎn)，可為實(shí)際加工制造生產(chǎn)過(guò)程提供理論數據支撐，特別是超精密切削過(guò)程（切削厚度為微米級）機理，Al6061超精密切削過(guò)程屬微切削，材料去除過(guò)程可分為可完全恢復的彈性階段、可部分恢復的塑性階段、頸縮或斷裂的損傷階段等三個(gè)階段，即材料的彈塑性-損傷發(fā)展過(guò)程，科學(xué)的材料彈塑性本構方程與材料損傷方程是切削仿真的關(guān)鍵。目前，金屬材料彈塑性本構方程主要有Johnson-Cook 本 構 模 型（J-C）［9-10］、J-C 本 構 優(yōu) 化 模 型［11-12］、Zerilli-Armstrong模型，Maewaka模型、Nemat-Nasser模型，以及Power-Law模型［13］，其中最常用的是J-C的本構模型。為進(jìn)一步揭示單晶金剛石超精密切削Al6061機理，選取綜合考慮材料彈塑性、損傷性能的J-C模型為基礎，構建Al6061超精密切削過(guò)程有限元仿真模型，并與切削加工實(shí)驗結合，研究切削力、切削熱、切削表面質(zhì)量等變化特性。

2.1 材料本構模型

2.1.1 彈塑性本構方程

Al6061本構模型采用J-C彈塑性本構方程，方程包含影響流動(dòng)應力的應變硬化效應、應變率效應與溫度效應等因素參數，表達式，如式（1）所示。

式中：σ—材料應力；
A—準靜態(tài)條件下屈服強度；
B—材料應變硬化參數；
εp—材料等效塑性應變；
n—材料應變硬化指數；
C—材料應變率強化參數；
ε?—材料等效塑性應變率；
ε?0—材料參考應變率；
T0—常溫值；
Tmelt—熔點(diǎn)；
m—材料熱軟化參數。

2.1.2 材料損傷力學(xué)方程

Al6061損傷力學(xué)模型采用J-C材料斷裂準則，綜合考慮了材料應力三軸度，應變、應變率和溫度對材料失效影響，如式（2）所示。積分過(guò)程中等效應變增量Δεf等于失效應變，即D=1時(shí)，材料斷裂，Δεf可由式（3）計算。

式中：D1、D2、D3、D4、D5—方程擬合系數；
η—應力三軸度。

2.2 Al6061超精密切削有限元模型

基于A(yíng)baqus 構建不考慮6061 鋁合金材料中雜質(zhì)與二次相的二維Al6061超精密切削有限元模型（Al6061 FEM），Al6061與金剛石材料物理性能參數［14-15］，如表1所示。以及Al6061材料的J-C彈塑性、損傷本構方程的系數［14］，如表2所示。Al6061 FEM，如圖1所示。網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D8RT的六面體單元，網(wǎng)格劃分利用sweep掃掠網(wǎng)格劃分法，模型總單元網(wǎng)格量為11027。

圖1 Al6061超精密切削有限元模型Fig.1 FEM of Ultra-Precision Cutting Al6061

表1 材料物理性能參數（20℃）Tab.1 Physical Properties Parameters of Materials（20℃）

表2 Al6061 J-C彈塑性本構方程和J-C損傷本構方程參數Tab.2 The Parameters of J-C Elastoplasticity Constitutive Equation and J-C Damage Constitutive Equation of Al6061

利用摩爾機床（型號：Moore 350FG）進(jìn)行金剛石超精密切削Al6061實(shí)驗，刀尖半徑、前角、后角分別為2.06mm、0℃、10℃，切削深度為2μm，切削速度為500mm/min。利用Kistler 力測試儀（信號處理儀型號：5080，力傳感器型號：9256C）對超精密切削力進(jìn)行測試，切削方向為Y軸方向，Y軸運動(dòng)，X軸與C軸不動(dòng)，設備布置與加工現場(chǎng)，如圖2所示。

圖2 Al6061超精密切削實(shí)驗Fig.2 Experiment of Ultra-Precision Machined Al6061

4.1 Al6061 FEM仿真計算有效性驗證

根據Al6061 超精密切削實(shí)驗環(huán)境參數與加工參數設置Al6061 FEM 切削參數進(jìn)行仿真計算，其中切削參數設置切深2μm，切削速度500mm/min，環(huán)境溫度為20℃時(shí)計算過(guò)程，如圖3所示。單晶金剛石超精密切削6061過(guò)程中，切削形態(tài)掃描電鏡測試（SEM，型號：TM3030），如圖3 所示。實(shí)驗切削力與Al6061 FEM計算的切削力對比，如圖4所示。

圖3 Al6061 切屑形態(tài)計算與SEM分析Fig.3 Calculation and SEM of Chip Morphology of Al6061

圖4 實(shí)驗測試與有限元計算切削力對比Fig.4 Comparison of Cutting Force Between Experimental and FEM

由圖3可知，鋸齒形切屑層疊在一起，仿真計算的切屑形態(tài)也呈現鋸齒形（圖3（a）I區），與實(shí)際切削形態(tài)比較吻合（圖3（b））。由圖4可知，仿真計算切削力與測試切削力在0.2N附近波動(dòng)，兩者均值誤差為約2%，其中，計算切削力受切屑形態(tài)影響，隨單個(gè)鋸齒形成過(guò)程先增加后減小，呈周期變化；
實(shí)驗切削力波動(dòng)范圍較大，由圖4（a）中切削力I區對應的切削表面形貌可知，切削力主要受Al6061材料不均勻性的影響，如Al6061中的雜質(zhì)、二次相的粒徑和數量分布等因素。

4.2 切削表面質(zhì)量

由圖3可知，同樣加工參數條件下，Al6061 FEM計算的切屑分離層并非是同一層的單元網(wǎng)格，切削表面出現單元格損傷縮頸變形和塑性恢復變形（圖3（a）II區），兩者綜合作用生成切削表面質(zhì)量。而Al6061超精密切削表面掃描電鏡測試，如圖5所示。切削表面質(zhì)量受材料的回彈特性以及與刀具后刀面的摩擦特性，以及材料中雜質(zhì)、二次相顆粒等因素影響。

圖5 Al6061切削生成表面Fig.5 Cutting Surfaces of Al6061

4.3 切削熱

金剛石超精密切削Al6061過(guò)程中，切削深度為微米級，切削生成熱較少，且迅速傳導至Al6061基體，現有傳感器技術(shù)進(jìn)行切削熱測試技術(shù)（如熱電偶、紅外、熱成像等）較難實(shí)時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)監測，Al6061 FEM仿真計算可演示超精密切削熱生成過(guò)程，設置仿真計算邊界條件為切削深度為2μm，切削速度為500mm/min，計算結果，如圖6所示?？芍?，Al6061超精密切削過(guò)程，切削生成熱較少，切削熱主要由Al6061切屑層擠壓變形作用產(chǎn)生，切屑與前刀面、加工面與后刀面摩擦生熱量相對較小，且切削生成熱由擠壓變形區域向四周擴散。

圖6 切削熱變化Fig.6 Changes of Heat in Ultra-Precision Machined Al6061

基于A(yíng)l6061切削仿真計算與切削加工實(shí)驗相結合，研究單晶金剛石超精密切削Al6061切削力、切屑形態(tài)、切削表面質(zhì)量、切削熱等參數變化特性，主要結論如下：

（1）單晶金剛石切削Al6061過(guò)程中，切屑為鋸齒形層層疊加在一起，通過(guò)Al6061超精密切削有限元模型計算分析，同樣加工參數條件下，計算的切屑形態(tài)也呈現鋸齒形。

（2）Al6061 FEM超精密切削有限元模型計算的切削力受切屑形態(tài)的影響，隨單個(gè)鋸齒形成過(guò)程先增加后減小，呈周期變化；
同樣切削參數條件下，實(shí)驗切削力波動(dòng)范圍較大，主要受Al6061材料不均勻性的影響，如Al6061中的空穴、雜質(zhì)以及二次相的粒徑和數量分布等因素。

（3）Al6061 FEM 超精密切削有限元模型計算過(guò)程中，切削表面出現單元格損傷縮頸變形和塑性恢復變形，兩者綜合作用生成切削表面質(zhì)量；
而實(shí)際切削生成表面受材料的回彈特性以及與刀具后刀面的摩擦特性，以及材料中雜質(zhì)、二次相顆粒等因素影響。

（4）切削熱主要受Al6061切屑層擠壓變形作用產(chǎn)生，切屑與前刀面以及加工面與后刀面摩擦生熱量相對較小。