铝合金切削表面位错密度和晶粒细化的研究

铝合金切削表面位错密度和晶粒细化的研究

工件已切削表面的微观组织对工件的疲劳强度、抗腐蚀强度和抗磨损强度等性能有非常重要的影响。已切削表面微观组织相对基体组织发生明显改变，从微观组织的角度研究工件表面完整性如白层、微硬度和残余应力等对研究表面完整性与加工条件的关系意义重大。

但是目前对切削表面微观组织演变的模型以及其与工件表面性能的关系的研究还很欠缺。论文旨在研究铝合金Al6061-T6切削表面位错密度和晶粒尺寸的演变，建立基于Abaqus软件的正交切削有限元模型，耦合基于位错密度的微观组织预测模型，实现切削力、切屑形态、切削温度和位错密度与晶粒尺寸的预测。

采用正交切削实验及金相实验对有限元模型进行验证。论文的主要研究内容和结论如下：首先，基于Abaqus软件建立铝合金Al6061-T6的正交切削有限元模型。

根据铝合金自身的材料属性和加工性能，选择合理的材料模型、摩擦模型和有限元建模方法，讨论极限剪切应力、摩擦系数和热分配系数对切削力、切屑形态和切削温度的影响。选择合理的微观组织演变模型，描述切削过程中切屑和切削表面位错密度和晶粒尺寸的演变。

将基于位错密度的微观组织预测模型以用户自定义子程序的形式嵌入正交切削有限元模型中，建立“力、热、微观组织”耦合有限元模型。其次，进行铝合金Al6061-T6正交切削实验，测量切削力、切屑形态，观察切削表面和切屑的微观金相，分析切屑和切削表面微观组织的改变。

对比实验值和仿真值，通过调整极限剪切应力、摩擦系数和热分配系数以及微观组织预测模型中的各个参数，实现有限元模型的可靠性验证。结果表明：极限剪切应力、摩擦系数直接影响切削力、切屑厚度、切削温度，切削力和切屑厚度以及切削温度均随极限剪切应力和摩擦系数的增大而增大。

通过切削力和切屑形态的实验值可以确定一定切削条件下的极限剪切应力和摩擦系数。形变场和温度场决定了切屑和切削表面位错密度和晶粒尺寸的分布规律。

最后，基于该有限元模型，分析了切削参数、刀具和温度对切削表面位错密度和晶粒尺寸分布的影响。结果表明：不同切削速度下位错密度最大的区域位于第二变形区。

切削表面位错密度接近第一变形区位错密度，并且沿着深度方向逐渐减小，晶粒尺寸呈现相似的分布规律。一定进给量下，切削表面位错密度随切削速度的增大而减小，晶粒尺寸随切削速度的增大而增大，变形层厚度随切削速度增大而减小；一定切削速度下，切削表面位错密度随进给量的增大先减小后增大，晶粒尺寸随进给量的增大先增大后减小，变形层厚度随进给量的增大先增大后减小。

较小的刀具前角可以显著增加第一变形区的塑性变形，因此切削表面位错密度随刀具前角减小而增大，晶粒尺寸随之减小，变形层厚度随刀具前角的增大而减小；刀刃圆角半径越大，对切削表面的犁削作用越明显，切削表面位错密度随刀刃圆角半径的减大而增大，晶粒尺寸随之减小，变形层随刀刃圆角半径的增大而增大。增大工件与环境的热对流系数，使得切削温度快速降低，一方面减小材料的温度软化作用，改变切削表面的塑性变形层厚度，另一方面减小晶粒的动态回复，因此切削表面位错密度随热对流系数的增大而增大，晶粒尺寸随热对流系数的增大而减小，变形层厚度随热对流系数的增大而增大。