目前，國內對于6005A鋁合金大型薄壁中空結構件的高速數控加工存在諸多問題，如數控加工效率較低、刀具損耗大、銑削速度較高時出現崩刃、打筋等，這些問題嚴重影響了企業生產效益。因此，研究6005A鋁合金的高速銑削加工機理，以解決生產中出現的問題，具有重要的現實意義。
在銑削加工過程中，切削力決定切削熱的產生，并影響刀具使用壽命、加工精度和加工表面質量，研究切削力的規律和計算方法有助于分析銑削機理。解析法和實驗法是研究切削力的主要方法，但隨著計算機技術的發展，有限元數值模擬方法為研究切削過程中的切削力提供了新的方法。國內外學者在二維、三維正交切削數值模擬方面做了很多的工作，取得了豐碩的成果，然而針對6005A鋁合金的高速數控銑削加工的研究還未見報道。因此本課題采用三維斜角切削數值模擬的方法，對6005A鋁合金高速銑削過程中的切削力變化規律進行探討，為優選和優化高速銑削6005A鋁合金結構件的刀具幾何參數提供依據。
6005A鋁合金材料特性
6005A合金是在6005合金的基礎上發展的一種中等強度Al-Mg-Si系合金，具有優良的擠壓性、焊接性和耐腐蝕性，廣泛應用于地鐵和巴士車體結構件、鐵塔平臺、管道設施等。6005A鋁合金的主要化學成分和材料基本性能參數如表1和表2所示。
有限元模型建立
1 熱力耦合有限元控制方程
在金屬切削加工時，隨著刀具的進給，材料應力不斷增加。當應力超出彈性范圍時，材料發生塑性變形。塑性變形功和刀屑之間的摩擦功轉變成熱而引起溫度的升高，從而由于溫度的升高產生熱應變。在不考慮彈性蠕變的情況下，彈塑性區域的總應變分量dε 可以表示為：
dε=dεel+dεpl+dεT （1）
式中，dεel 為彈性應變增量；dεpl為塑性應變增量；dεT為熱應變增量。
基于虛功原理和大應變、大變形理論，在不考慮體力的情況下，建立熱-力耦合彈塑性控制方程
Kep+ [KG]d˙=∫[Bε]T Depεt } dV?[Bε]T {R˙ εT} dV +˙F （2）
式中，[Kep] 為彈塑性剛度矩陣；[KG]為幾何剛度矩陣；d為節點速度；{R˙ εT}為相對溫度和等效應變率的變化率；˙F為外部載荷的變化率，包括實際載荷變化率和由變形體形狀改變引起的載荷變化率。
2 幾何模型
3 材料模型
材料模型的正確定義是金屬切削過程數值模擬成功的一個關鍵因素。有限元軟件用一系列直線段連接給定的真實應力- 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，從而可得到近似于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-應變的轉換關系為：
σ = σnom（1+εnom） （3）
ε = ln（1+εnom） （4）
式中，σ為真實應力； σnom為名義應力；ε為真實應變；εnom為名義應變。#p#副標題#e#
試驗數據中得出的應變為總體應變，因此將總體應變分解為彈性應變和塑性應變分量。彈性應變等于真實應力與楊氏模量的比值，則塑性應變等于總體應變減去彈性應變。表3為經過數據整理計算后得到的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有限元軟件包Property模塊中選擇Mechanical→ Plasticity→Plastic，輸入表3中所給出的6005A鋁合金的真實塑性應力-應變數據，來描述實際的材料行為。
4 刀具切屑接觸摩擦特性
金屬切削過程即刀具與工件相互運動并相互作用，使切削層金屬與工件母體金屬分離開來。切削層金屬在刀具刃口和前刀面的擠壓、摩擦作用下發生剪切滑移變形和摩擦變形而形成切屑。前刀面和切屑的接觸區域分為滑移區和黏結區。在黏結區，切削時產生的高溫和高壓使得切屑底層材料軟化，切屑底層的金屬材料黏嵌在前刀面上，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于臨界剪切流動應力。在滑移區服從庫侖摩擦定律。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為前刀面正應力；μ為摩擦系數。
但是滑移區的摩擦系數是要通過分析刀具前面的應力分布情況計算出來，因此本課題采取平均摩擦系數的方法，把摩擦系數設置為0.3，最大剪應力設為205MPa。
5 網格劃分
工件和刀具均采用8節點六面體熱力耦合線性減縮積分單元C3D8RT進行網格劃分，采用增強沙漏控制。為了提高數值模擬精度和減少計算機時，只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很大，所以分析時視刀具為剛體，刀刃絕對鋒利。工件共劃分8280個單元，刀具共劃分480個單元，有限元模型如圖2所示，其中工件尺寸為5mm×1mm×1mm。
數值模擬結果及分析
利用ABAQUS有限元軟件對車輛鋁合金材料6005A高速銑削加工進行了數值模擬，模擬時刀具從圖2所示位置開始切削，沿X方向做進給運動，邊界條件如圖2所示，約束工件底面6個自由度，刀具除X方向移動自由度外，其余全部受到約束。刀具材料選擇硬質合金立銑刀，牌號為K20，彈性模量為600GPa，泊松比為0.25。模擬采用的切削參數: 進給速度為3m/min，切削深度為0.2mm，切削寬度為1mm。
在切削參數一定的情況下，模擬不同刀具前角和刃傾角情況下的斜角切削過程，分析刀具幾何角度變化對切削力的影響。表4給出了2組模擬條件。在高速切削的條件下，刀具前角對切削過程的影響更大，因此在第一組的模擬條件中，變化刀具前角，后角和刃傾角為目前正在使用的刀具的參數一致。在第二組的模擬條件中，在高速銑削時，為了減小刀具——工件之間的摩擦，綜合考慮可以將后角選為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。
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