沈宇峰

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

毛刺是金属切削加工中产生的普遍现象之一，也是金属切削理论研究中迄今为止尚未解决好的两大难题(毛刺的生成与控制，切屑的处理与控制)之一[1-3]。毛刺出现在工件加工边、角、棱的地方或已加工表面上，直接影响被加工工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度，使得工件装配困难，难以满足公差要求。零件上的毛刺硬化和脱落是裂纹开始的源头，因而毛刺会降低工件的使用寿命，甚至会使其运转失效，危及操作人员的安全[4-6]。

铝合金是航空航天领域应用比较多的一种材料[7]，有的工件要通过切削得到所需要的形状、尺寸，切削过程中又不可避免的会产生毛刺，其毛刺又制约着航空零件表面质量的提高。为此，探究切削过程中毛刺的形成机制，抑制和减少毛刺的产生是需要解决的重要问题之一。由于铣削过程的复杂性，国内外学者[8-12]对金属切削过程中毛刺的形成机制研究主要集中在车削和钻削中，对铣削过程中毛刺的形成机制的研究相对较少。本课题以航空用6061-T6铝合金材料为例，利用ABAQUS软件探究其毛刺的形成过程，并对抑制毛刺产生提供参考性建议。

1 建立铣削有限元模型

1.1 铣削模型的简化

由于铣削模型的复杂性，可以通过合理的假设，将复杂的三维有限元模型简化为二维平面的有限元模型[13]。铣削加工中，刀具相对于工件做进给和旋转运动，刀具的轨迹为次摆线。铣削过程中其切削厚度是连续变化的，如图1a所示；但在铣削过程中其每齿进给量fz较小，刀具转速n较大，其厚度变化较小，因而可以等效为厚度均匀的切屑[14-15]，如图1b中所示。

图1 铣削模型的简化

通过相关数学计算可得到其等效切削厚度为

(1)

式中：

he—等效切削层厚度，mm；

R—刀具半径，mm；

fz—每齿进给量，mm。

本铣削模型中选取铣刀半径R=3 mm，每齿进给量fz=0.3 mm,代入公式(1)中得到等效切削层厚度he=0.2 mm。

将单个切削层沿刀具的运动方向离散，从而将刀具的旋转运动转变为直线运动，并在ABAQUS中对其进行平面应变的正交切削加工模拟，其模型如图1c所示。

1.2 6061-T6铝合金材料的本构关系模型及分离准则

由于本模型是为探究工件表面的毛刺形成过程，可把刀具设置成解析刚体，因而只用考虑工件材料的本构关系。金属切削加工过程中伴随着有大变形和热软化效应，而Johnson-Cook模型能很好地反映金属材料从低应变率向高应变率变化的动态行为[16]，因而选用Johnson-Cook模型作为6061-T6铝合金铣削过程中的材料模型，其具体形式为

(2)

式中：

σ—等效应力；

A—屈服强度；

B—应变硬化系数；

εp—塑性应变；

n—应变强化指数；

C—应变速率强化项系数；

T—工件的瞬时温度；

T0—参考温度；

Tm—熔点温度；

m—材料热软化系数。

Johnson-Cook的本构模型表达式由三项组成，其中第一项表述了材料应变强化效应，第二项表述了应变速率对流动应力的影响，最后一项反映的是温度对材料流动应力的影响。本研究中采用的6061-T6铝合金的Johnson-Cook模型参数如表1所示[17]。

表1 6061-T6铝合金的Johnson-Cook模型参数

本研究中采用的分离准则是Johnson-Cook的剪切失效准则，其失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值，当其损伤参数达到1时，即实现工件与切屑的分离，该种失效准则特别适合本研究中的金属铣削的高应变率变形。

1.3 摩擦模型及网格的划分

在铣削过程中，刀具与工件之间伴随着强烈的摩擦行为，其主要包括两个摩擦对：前刀面与分离切屑摩擦对，后刀面与已加工表面摩擦对。本研究中的摩擦模型选择罚函数摩擦模型，罚函数公式可允许表面有弹性滑移，适用于大多数的金属加工成形问题，摩擦因数设定为0.2。

给工件进行以边布种，为优化计算量，上方与刀具接触的部分布种较密，下方未与刀具接触的部分布种较为稀疏。单元形状选择四边形为主，技术选择为自由模式，算法为进阶算法。综合考虑切削过程中温度的变化及温度对切削力的影响，单元类型设定为CPE4RT，即单元库选择Explicit，元素族为温度-位移耦合，几何阶次为线性，分析类型为平面应变，沙漏控制选择增强。

2 结果分析及优化改进

2.1 结果分析

6061-T6铝合金铣削仿真的应力分布云图如图2所示。由图2可得，其应力主要集中在刀具与工件接触部分，并逐步向下传递，直至为0。其应力主要表现为S11(X轴向应力)和S22(Y轴向应力)，如图3和图4所示。由图3可得，工件所受到的X轴向应力均为负值，主要表现为压应力；由图4可得，Y轴向应力基本为0，因而可得刀具在Y轴(垂直工件)方向所受到的力也基本为0。

由图2、图3和图4可得，铣削过后的工件表面有毛刺生成，其毛刺周边的应力较为集中，且伴有应力波动。由图2～4可得，切入、切出处的应力突变明显，其对应毛刺的特征尺寸也较大，这与我们实际铣削过程中切入、切出处的毛刺较为突出相吻合，也进一步验证了该模型的正确性。

图2 应力分布云图

图3 X轴向应力分布云图

图4 Y轴向应力分布云图

2.2 优化改进

由以上模拟仿真可得，为减少毛刺的生成，应尽量减少应力突变的产生。由于切入、切出处应力突变较为明显，为缓和应力冲击可增大其铣刀的刃口半径值，但刃口半径值增大，势必会造成铣刀的钝化。又由参考文献[18]可知，毛刺在形成的瞬间，主要是依靠水平主切削力对其做功，水平主切削力与刀具的锋利程度有关。刀具的前、后角越大，刀具越锋利，但与此同时，刀具的强度降低，寿命缩短。综合考虑，可在一定范围内适当增加其刃口半径值和刀具的前、后角，为此，将本模型中铣刀的刃口半径值由原来的0.02 mm增加至0.03 mm，铣刀前角由5°增至8°，后角由10°增至12°，再次模拟仿真，其结果如图5所示。由图5可得，优化后切入、切出处的应力变化较为缓和，其对应的铣削后的工件表面的毛刺有明显的改善。

图5 优化后的应力分布云图

3 试验验证

为验证以上仿真模拟结果是否合理，在型号为VMC650的数控铣床上进行6061-T6铝合金的铣削验证试验，如图6所示。

图6 铣削验证试验

图7a是用刃口半径为0.02 mm、铣刀前角为5°、后角为10°的立铣刀铣削的铝合金工件表面；图7b是用刃口半径为0.03 mm、铣刀前角为8°、后角为12°的立铣刀铣削的铝合金工件表面。通过对比铣削试验可知：毛刺主要集中在工件切入、切出部分，通过刀具的有效优化，可主动抑制毛刺的生成。这也进一步验证了以上仿真模拟的正确性和可行性，为后期的进一步深化研究提供了试验依据。

图7 优化前后的工件表面对比图

4 结束语

为探究铝合金铣削过程中毛刺的形成机制，首先通过理论分析，将复杂的铣削模型等效简化，然后利用ABAQUS分析软件将简化的模型进行模拟仿真，通过模拟仿真的结果分析得到，铣削后的工件表面的毛刺主要集中在应力突变处，且切入、切出处的毛刺最为突出。为减少应力突变的产生，抑制毛刺的生成，将铣刀的刃口半径由原来的0.02 mm增加至0.03 mm、铣刀前角由5°增至8°、后角由10°增至12°，再次模拟仿真，工件表面的毛刺得到了明显的改善。最后，通过铣削试验验证了仿真模拟的正确性和可行性，为后期的进一步深化研究提供了试验依据。