7075鋁合金是一種新型鋁合金，具有強度高、機械性能好、可用性好、加工方便、耐磨性好等特點。廣泛應用于航空航天、模具加工、機械設備等領域，特別適用于制造強度高、耐腐蝕性強的高應力結構。已成為軍用民用飛機的首選材料。由于光學瞄準鏡的鏡面部件是鋁合金薄壁部件，具有加工精度要求高、加工變形方便等特點，在后續切割加工中面臨著一系列的加工過程問題。由于光學瞄準鏡的鏡面部件是鋁合金薄壁部件，具有加工精度要求高、加工變形方便等特點，在后續切割加工中面臨著一系列的加工過程問題。
研究其切削工藝參數對于保證零件切削的加工精度和表面質量尤為重要。傳統的研究切割方法主要是通過人工試切獲得合適的加工參數，不僅效率低，而且容易造成零件報廢，造成一定的經濟損失。通過深入研究7075鋁合金切機理的深入研究，DEFORM有限元工藝仿真系統軟件建立刀具-工件模型，賦予材料屬性等數值仿真過程。通過DEFORM軟件后處理器的操作結果分析了鋁合金切割過程的關鍵技術，獲得了模擬切割力變化、應力和切割溫度分布的相關試驗數據，并通過切割力測量試驗證了模擬后處理器結果的有效性，研究了刀具幾何形狀對鋁合金切割過程的影響，為實踐中鋁合金刀具幾何形狀提供了參考。
1 建立切削模型
7075鋁合金機械性能好，陽極反應好。其化學成分和物理性能分別見表1和表2。
表1 鋁合金7075-T651的化學成分（wt.%）
表2 鋁合金7075-T651的物理性能
(1)建立幾何模型
DEFORM該軟件具有強大的刀庫和自動生成工件的功能，還可根據用戶需要自行創建刀具和工件，在這種環境下，鋁合金7075-T651切割有限元模型(見圖1)。刀具和工件的材料取自DEFORM材料庫，刀具材料為硬合金，工件材料為Al7075-T6。刀具和工件的材料取自DEFORM材料庫，刀具材料為硬合金，工件材料為Al7075-T6.刀具設置為剛性材料，工件為塑料材料，只考慮摩擦、傳熱等效果。
圖1 切割幾何模型
(2)切割模型有限元網格的劃分
在金屬切割過程中，網格劃分的密度會影響模擬結果的準確性。密度越大，模擬結果越準確，但計算機的運行時間和計算量會大大增加。刀具網格數為35000，工件網格數為6000，以平衡計算精度和仿真時間。
鋁合金7075分析-T在651切割過程中，隨著刀尖的切割，預處理生成的網格將被破壞。因此，不變大小的網格劃分會影響切割模擬結果的精度。DEFORM該軟件可以自動重新劃分網格，即當邊界網格和刀片干擾時停止當前操作，重新劃分工件網格后繼續計算，以確保模擬結果的準確性。
(3)設置其他模擬參數
刀具切削速度為210m/min，切削深度取0.5mm，進給量0.1mm/r。模擬斷裂標準的設置為Ayada斷裂標準，環境溫度20℃，刀具r0=5°，α0=3°，λs=-7°，刀尖弧半徑0.5mm，刀具與工件之間的剪切摩擦系數.5，熱導率45N/s/mm/℃。為縮短模擬時間，模擬步驟為1000，每25步保存一次，切割終止角度為20°。
2 模擬結果及分析
(1)切削力分析
金屬切削過程中的切削力來自于克服被加工材料產生的抗力、切屑與刀具前刀面之間的摩擦以及刀具后刀面與加工表面之間的摩擦。分析切削過程中切削力的變化，對提高工件加工質量、工具壽命等具有重要意義。圖2為鋁合金切削模擬過程中切削力變化曲線圖。從圖中可以看出，在金屬切削理論一致。當刀具開始切入工件時，切削力從0迅速增加，并在整個切削過程中上下波動，但總體趨于穩定。
(a)軸向力
(b)主切削力
(c)徑向力
圖2 不同方向的切削力改變曲線
為CA切削力測量驗證試驗在6140車床上進行。試驗采用與模擬模擬相同的幾何形狀YT15硬質合金刀具的切削量與模擬設置相同，切削力值由祥云公司生產的數據采集儀器獲得。主切削力測量值為90.6N，與模擬值的誤差約為11%，驗證了模擬結果的有效性。
為了進一步驗證模擬結果的準確性，在上述試驗的基礎上，對比模擬值和試驗值的誤差和變化趨勢（見圖3）。從圖中可以看出，模擬模擬與測量主切削力的變化趨勢一致，隨著切削速度的增加，波動范圍小，驗證了模擬結果的有效性。
圖3 不同切削速度下主切削力的變化曲線
(2)應力場分析
應力場是金屬切削過程中零件變形的因素之一，分析鋁合金切削過程中應力的分布對提高工件加工精度具有重要意義。模擬工件和刀具的應力分布如圖4所示。從圖中可以看出，刃前區的應力分布最為復雜，最大應力分布在第一變形區，變形梯度較大，而第二變形區的應力分布較為均勻。
圖4 工件的應力分布
(3)切削熱分析
在鋁合金切削加工中共有3個區域產生熱量：切屑與前刀面接觸區域、剪切面區域、后刀面與過渡表面區域，具體溫度分布如圖5所示。從圖中可以看出，切削溫度的最高點分布在刀尖與切屑的接觸區，切削工件的最高切削溫度可達436℃，刀具的最高溫度可達58.6℃。
(a)工件 (b)刀具
圖5 工件和刀具的切削溫度分布
3 刀具幾何形狀對切削過程的影響
探討刀具幾何形狀對鋁合金切削過程的影響，在保證刀具切削角度、切削用量等參數不變的情況下，將不同幾何形狀的刀具插入模擬鋁合金切削。將上述模擬刀具命名為刀具1，然后分別插入刀具2和刀具3，分析比較三種不同幾何形狀的刀具模擬后處理器的結果。將上述模擬刀具命名為刀具1，然后分別插入刀具2和刀具3，分析比較三種不同幾何形狀的刀具模擬后處理器的結果。由于刀具幾何形狀的變化，刀尖的弧半徑也相應地發生了變化。與刀具1相比，刀具2的弧半徑增加到0.7mm，刀具3刀尖弧半徑減小0.4mm。刀具2和刀具3的幾何形狀如圖6所示。
(a)刀具2 (b)刀具3
圖6 刀具2和刀具3的幾何形狀
圖7為刀具2和刀具3主切削力變化曲線圖。與切削力曲線變化圖相比，刀具形狀對切削力變化影響較小，主切削力變化趨勢一致，切削力波動較小，刀具2的主切削力最大為107N，刀具3的主切削力最小為94.5N。
(a)刀具2
(b)刀具3
圖7 刀具2和刀具3的主切削力變化曲線
圖8顯示了刀具2和刀具3切削時工件的應力分布。對比工件的應力分布圖，可知刀具幾何形狀對工件應力大小和分布影響較小。刀具2切割工件的最大應力值為779MPa，刀具3切割工件的最大應力值為766MPa。
(a)刀具2
(b)刀具3
圖8 工件的應力分布
圖9為工件和刀具2的切削溫度分布圖，圖10為工件和刀具3的切削溫度分布圖。通過對三種刀具和工件切削溫度分布圖的比較分析，刀具幾何形狀對工件切削溫度分布影響較大，對刀具切削溫度影響較小。刀具2的最高溫度為51.2℃，工件最高溫度為411℃；刀具3的最高溫度為57.1℃，工件最高溫度為373℃。
(a)工件 (b)刀具2
圖9 刀具2和工件的切削溫度分布
(a)工件 (b)刀具3
圖10 刀具3和工件的切削溫度分布
小結
(1)采用數值模擬技術，基于DEFORM軟件對金屬切削過程進行模擬仿真，通過試驗得到切削力的仿真值和測量值具有合理的一致性；由于計算機條件的影響，切削力變化曲線在切屑分離和網格重劃時產生一些跳動，但這不影響分析結果的正確性。
（2）工件刃前區域的應力分布最為復雜，最大應力分布在第一變形區域，變形梯度較大，第二變形區域的應力分布相對均勻，符合實際切割過程。
（2）工件刃前區域的應力分布最為復雜，最大應力分布在第一變形區域，變形梯度較大，第二變形區域的應力分布相對均勻，符合實際切割過程。
(3)刀具前刀面靠近刀尖一定距離處切削溫度最高，最容易發生擴散磨損而形成月牙洼。通過模擬切削過程中刀具表面的溫度分布，可以更方便地研究刀具的使用壽命，從而指導切削的實際加工。
(4)通過真結果可以看出，切割鋁合金時，刀具3的主切削力最小(94).5N）；刀具2最高切削溫度值最小(51.2℃）；工件最大應力值為757MPa），同時，工件的最高溫度值也最小(373℃）。考慮到硬質合金刀具的耐高溫性，得到刀具3的幾何形狀更有利于提高切割鋁合金7075-T加工精度為651。
工具技術原載 作者：朱昱
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