6061铝合金超精密切削仿真与实验研究

王海龙，王素娟

（广东工业大学机电工程学院，广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广东 广州 510006）

6061铝合金（Al6061）是一种可进行热处理的Al-Mg-Si系合金，通过金刚石超精密切削Al6061可获得纳米级表面精度，广泛应用于航天、化工、汽车制造、光学器件等领域。金刚石超精密切削Al6061 技术的研究成为热点，如切削参数对表面质量的影响［1-3］、材料特性对切削表面质量的影响［4-7］、材料特性对金刚石刀具磨损的影响［8］等研究取得了一定的成果。由于在线检测技术无法动态监测超精密切削过程中，切削热和切削生成表面等变化特性，有待进一步完善，切削仿真技术具有高效、节能等优点，可为实际加工制造生产过程提供理论数据支撑，特别是超精密切削过程（切削厚度为微米级）机理，Al6061超精密切削过程属微切削，材料去除过程可分为可完全恢复的弹性阶段、可部分恢复的塑性阶段、颈缩或断裂的损伤阶段等三个阶段，即材料的弹塑性-损伤发展过程，科学的材料弹塑性本构方程与材料损伤方程是切削仿真的关键。目前，金属材料弹塑性本构方程主要有Johnson-Cook 本 构 模 型（J-C）［9-10］、J-C 本 构 优 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的本构模型。为进一步揭示单晶金刚石超精密切削Al6061机理，选取综合考虑材料弹塑性、损伤性能的J-C模型为基础，构建Al6061超精密切削过程有限元仿真模型，并与切削加工实验结合，研究切削力、切削热、切削表面质量等变化特性。

2.1 材料本构模型

2.1.1 弹塑性本构方程

Al6061本构模型采用J-C弹塑性本构方程，方程包含影响流动应力的应变硬化效应、应变率效应与温度效应等因素参数，表达式，如式（1）所示。

式中：σ—材料应力；
A—准静态条件下屈服强度；
B—材料应变硬化参数；
εp—材料等效塑性应变；
n—材料应变硬化指数；
C—材料应变率强化参数；
ε̇—材料等效塑性应变率；
ε̇0—材料参考应变率；
T0—常温值；
Tmelt—熔点；
m—材料热软化参数。

2.1.2 材料损伤力学方程

Al6061损伤力学模型采用J-C材料断裂准则，综合考虑了材料应力三轴度，应变、应变率和温度对材料失效影响，如式（2）所示。积分过程中等效应变增量Δεf等于失效应变，即D=1时，材料断裂，Δεf可由式（3）计算。

式中：D1、D2、D3、D4、D5—方程拟合系数；
η—应力三轴度。

2.2 Al6061超精密切削有限元模型

基于Abaqus 构建不考虑6061 铝合金材料中杂质与二次相的二维Al6061超精密切削有限元模型（Al6061 FEM），Al6061与金刚石材料物理性能参数［14-15］，如表1所示。以及Al6061材料的J-C弹塑性、损伤本构方程的系数［14］，如表2所示。Al6061 FEM，如图1所示。网格单元类型为C3D8RT的六面体单元，网格划分利用sweep扫掠网格划分法，模型总单元网格量为11027。

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

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

表2 Al6061 J-C弹塑性本构方程和J-C损伤本构方程参数Tab.2 The Parameters of J-C Elastoplasticity Constitutive Equation and J-C Damage Constitutive Equation of Al6061

利用摩尔机床（型号：Moore 350FG）进行金刚石超精密切削Al6061实验，刀尖半径、前角、后角分别为2.06mm、0℃、10℃，切削深度为2μm，切削速度为500mm/min。利用Kistler 力测试仪（信号处理仪型号：5080，力传感器型号：9256C）对超精密切削力进行测试，切削方向为Y轴方向，Y轴运动，X轴与C轴不动，设备布置与加工现场，如图2所示。

图2 Al6061超精密切削实验Fig.2 Experiment of Ultra-Precision Machined Al6061

4.1 Al6061 FEM仿真计算有效性验证

根据Al6061 超精密切削实验环境参数与加工参数设置Al6061 FEM 切削参数进行仿真计算，其中切削参数设置切深2μm，切削速度500mm/min，环境温度为20℃时计算过程，如图3所示。单晶金刚石超精密切削6061过程中，切削形态扫描电镜测试（SEM，型号：TM3030），如图3 所示。实验切削力与Al6061 FEM计算的切削力对比，如图4所示。

图3 Al6061 切屑形态计算与SEM分析Fig.3 Calculation and SEM of Chip Morphology of Al6061

图4 实验测试与有限元计算切削力对比Fig.4 Comparison of Cutting Force Between Experimental and FEM

由图3可知，锯齿形切屑层叠在一起，仿真计算的切屑形态也呈现锯齿形（图3（a）I区），与实际切削形态比较吻合（图3（b））。由图4可知，仿真计算切削力与测试切削力在0.2N附近波动，两者均值误差为约2%，其中，计算切削力受切屑形态影响，随单个锯齿形成过程先增加后减小，呈周期变化；
实验切削力波动范围较大，由图4（a）中切削力I区对应的切削表面形貌可知，切削力主要受Al6061材料不均匀性的影响，如Al6061中的杂质、二次相的粒径和数量分布等因素。

4.2 切削表面质量

由图3可知，同样加工参数条件下，Al6061 FEM计算的切屑分离层并非是同一层的单元网格，切削表面出现单元格损伤缩颈变形和塑性恢复变形（图3（a）II区），两者综合作用生成切削表面质量。而Al6061超精密切削表面扫描电镜测试，如图5所示。切削表面质量受材料的回弹特性以及与刀具后刀面的摩擦特性，以及材料中杂质、二次相颗粒等因素影响。

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

4.3 切削热

金刚石超精密切削Al6061过程中，切削深度为微米级，切削生成热较少，且迅速传导至Al6061基体，现有传感器技术进行切削热测试技术（如热电偶、红外、热成像等）较难实时进行在线监测，Al6061 FEM仿真计算可演示超精密切削热生成过程，设置仿真计算边界条件为切削深度为2μm，切削速度为500mm/min，计算结果，如图6所示。可知，Al6061超精密切削过程，切削生成热较少，切削热主要由Al6061切屑层挤压变形作用产生，切屑与前刀面、加工面与后刀面摩擦生热量相对较小，且切削生成热由挤压变形区域向四周扩散。

图6 切削热变化Fig.6 Changes of Heat in Ultra-Precision Machined Al6061

基于Al6061切削仿真计算与切削加工实验相结合，研究单晶金刚石超精密切削Al6061切削力、切屑形态、切削表面质量、切削热等参数变化特性，主要结论如下：

（1）单晶金刚石切削Al6061过程中，切屑为锯齿形层层叠加在一起，通过Al6061超精密切削有限元模型计算分析，同样加工参数条件下，计算的切屑形态也呈现锯齿形。

（2）Al6061 FEM超精密切削有限元模型计算的切削力受切屑形态的影响，随单个锯齿形成过程先增加后减小，呈周期变化；
同样切削参数条件下，实验切削力波动范围较大，主要受Al6061材料不均匀性的影响，如Al6061中的空穴、杂质以及二次相的粒径和数量分布等因素。

（3）Al6061 FEM 超精密切削有限元模型计算过程中，切削表面出现单元格损伤缩颈变形和塑性恢复变形，两者综合作用生成切削表面质量；
而实际切削生成表面受材料的回弹特性以及与刀具后刀面的摩擦特性，以及材料中杂质、二次相颗粒等因素影响。

（4）切削热主要受Al6061切屑层挤压变形作用产生，切屑与前刀面以及加工面与后刀面摩擦生热量相对较小。