目前（qián），國內對於6005A鋁合金大型（xíng）薄壁中（zhōng）空結構件的高速數控（kòng）加工存在諸多問題，如（rú）數控加工效率（lǜ）較低、刀具損耗大（dà）、銑削速度較高（gāo）時出現崩刃、打筋等，這些問（wèn）題（tí）嚴重影響了企業生（shēng）產效益。因此，研究6005A鋁合（hé）金（jīn）的高速銑削加工機理，以解決（jué）生產中出現（xiàn）的問題（tí），具有（yǒu）重要的現實意義。

      在銑削加工過程中，切削力決（jué）定切削熱的產生，並影響（xiǎng）刀具使（shǐ）用壽命、加工（gōng）精（jīng）度（dù）和（hé）加工表麵質（zhì）量，研究切削力的規律和計算方法有助於分（fèn）析銑削機理。解析法（fǎ）和實驗法是（shì）研（yán）究切削力（lì）的主要方法，但隨著計算機技術的發展，有限元數值模（mó）擬方法為研究切削過程中的切（qiē）削力提（tí）供了新的方法。國內外學者在二維、三維正交（jiāo）切削數值模（mó）擬方（fāng）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見報道。因此本課題采用（yòng）三維斜角切削（xuē）數值（zhí）模（mó）擬的方法，對6005A鋁合金（jīn）高速銑削過（guò）程中的切削力變（biàn）化規律進行探（tàn）討，為優選和優（yōu）化高速銑削6005A鋁合金結構件的刀具（jù）幾何參數提供依據。

      6005A鋁合金材（cái）料（liào）特性（xìng）

      6005A合金是在6005合金的基（jī）礎上發展的（de）一種中等強度Al-Mg-Si係（xì）合金，具有優良的擠壓性、焊接性和耐腐蝕性，廣（guǎng）泛應用於地鐵和巴士車體結構件、鐵塔平台、管道設施等。6005A鋁合金的主（zhǔ）要（yào）化學成分和材料（liào）基本性能參數如表1和表2所示。

      有限元模型建（jiàn）立

      1 熱力耦（ǒu）合有限元控製方程

      在（zài）金屬切削加工時，隨著刀（dāo）具的進給，材料應力不斷增（zēng）加（jiā）。當應力超出彈性範圍時，材料發生塑性變形。塑性變形功和刀屑之間的摩擦功轉（zhuǎn）變成（chéng）熱而引起（qǐ）溫度的升高，從而由（yóu）於溫度的升高產生熱應變。在不考慮彈性蠕變的情況（kuàng）下（xià），彈塑性區域的總應變分量dε 可（kě）以表示為：

dε=dεel+dεpl+dεT  （1）

      式中，dεel 為彈性應變增量；dεpl為塑（sù）性應變增量；dεT為熱應變增量。

      基於虛功（gōng）原理和大應（yīng）變、大變形理（lǐ）論，在不考慮（lǜ）體力的情（qíng）況下（xià），建（jiàn）立熱-力耦合彈塑性控製（zhì）方（fāng）程（chéng）

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

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

      2 幾何模（mó）型

      3 材料模型

      材料模型的正確定義是金屬切削過程數值（zhí）模擬成功的（de）一個關鍵因（yīn）素。有限元軟（ruǎn）件用一係列直線段連接（jiē）給定的（de）真實應力（lì）- 應變數據對來形成連續的、分段線性的塑性曲線，可以用任意多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（yīng）力應變曲線。

      通過拉伸試驗得到工程應力-應變數據，需要轉換為真實應力-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（míng）義應力；ε為真實應變；εnom為名義應變（biàn）。#p#副（fù）標題#e#

      試驗數（shù）據中得出的應變為總體應變，因此將總（zǒng）體應變分解（jiě）為彈性應變和塑性應變分量。彈性應（yīng）變（biàn）等於真實應（yīng）力與（yǔ）楊氏模量的比值，則塑性應變等於總體應變減去彈性應變。表3為經過數據整理計算（suàn）後（hòu）得（dé）到（dào）的（de）6005A鋁合金的真實應力-應變數據。在有限元軟件中，輸入材料的塑性參數時，初始真實應變必須為0。通過在ABAQUS有限元軟（ruǎn）件包Property模（mó）塊中選擇Mechanical→ Plasticity→Plastic，輸入表3中所給出（chū）的6005A鋁合金的真實塑性應力-應變數據，來描述實（shí）際的材料行為。

      4 刀具切（qiē）屑接觸摩擦特性

      金屬切削過程即刀具與工件相互運動並相互作用，使切削層金屬與工（gōng）件母體金屬分離開來。切削層金屬在刀具刃口和前刀麵的擠壓、摩擦作用下發生（shēng）剪切滑移（yí）變形和摩（mó）擦變形而形成切屑。前刀麵和切屑的接觸區（qū）域分為滑（huá）移區和黏結區。在黏結區，切（qiē）削時產生的高溫和高壓使（shǐ）得切屑底層材料軟化，切屑底層的金屬材料黏嵌在前刀麵上（shàng），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界剪切流動應力。在（zài）滑移（yí）區服從庫侖（lún）摩擦定律。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為材料的最大剪切應力；σn為前刀麵正應力；μ為摩（mó）擦係數（shù）。

      但是滑（huá）移區的摩擦（cā）係數是要通（tōng）過分析刀具前麵的應力分布情況計算出來，因此本課題采取平均（jun1）摩擦係數的（de）方法，把摩擦係數設置為0.3，最大剪應（yīng）力設為205MPa。

      5 網格劃分

      工件和刀具（jù）均采用（yòng）8節點六（liù）麵（miàn）體熱力耦合線性減（jiǎn）縮積分單元C3D8RT進行網格劃分，采用增強沙漏控製。為了提高數值模擬精度和減少計算機時，隻對切屑層和刀尖處進行了網格細化。因為刀具和工件的硬度相差（chà）很大，所以分析時視刀具為剛體，刀刃絕（jué）對鋒利。工（gōng）件共劃分8280個單元，刀具共劃分480個單元，有限元模型如圖2所（suǒ）示，其中工件（jiàn）尺寸為5mm×1mm×1mm。

      數值（zhí）模擬結果及分析

      利用ABAQUS有限元（yuán）軟件對車輛鋁合金材料6005A高速（sù）銑削（xuē）加工進（jìn）行了數值模擬，模擬時刀具從圖2所（suǒ）示（shì）位置開始切削，沿X方向（xiàng）做進給運動，邊界條件（jiàn）如圖2所示，約束工件底麵6個自由度，刀具（jù）除X方向移動自由度外，其餘全部受（shòu）到約束。刀具材料選擇硬質合金立銑刀，牌號為K20，彈（dàn）性模量為（wéi）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（dù）為0.2mm，切削寬度為1mm。

      在切削參（cān）數一定的情況（kuàng）下，模擬不同刀具前角和刃傾角情況下的斜角（jiǎo）切削過程，分（fèn）析（xī）刀具幾何角度變化對切削力的影響。表4給出了2組模擬（nǐ）條件。在高速切削的條件下，刀具前角對切削過程的（de）影響更大，因此在第一組的模擬條件中，變化刀具前角，後角和刃傾角為目前正在使用的刀具（jù）的參數一致。在第二組的模（mó）擬條件中，在高速銑削時，為了減小刀具——工件（jiàn）之間的（de）摩（mó）擦，綜合考（kǎo）慮可以將後角選為12°以上，本課題選擇13°進行模擬，分析刃傾角對切削力的影響。