1、2010 International Conference on Electrical and Control Engineering基于 SHPB 壓縮實驗和正交切削實驗法建立材料本構(gòu)模型Study on material constitutive mby SHPB compression test and orthogonal cutting testFu Xiuli, Pan YongzhiDepartment of Mechanical Engineering University of JinanJinan, China: me_fuxl, me_panyzWan Yi, Ai Xi

2、ngDepartment of Mechanical Engineering Shandong UniversityJinan, China: wanyi, aixingAbstractBoth FEM simulation and analyzing deformation獲得材料壓縮實驗難以達到的應(yīng)變與應(yīng)變率范圍。因此通 過這兩種方法結(jié)合，實現(xiàn)在較大范圍應(yīng)變率和應(yīng)變建立材behavior require material constitutive min machining asfunction of strain, strain rate and temperature. In the

3、paper料本構(gòu)模型。具體的研究方法與采用的切削1 所示。實驗如圖dynamic flow stress properties were studied at large range of strain ( up to 2) and strain rate (102105s-1) using combination of SHPB compression test and orthogonal cutting test. The modified Johnson-Cook (JC) constitutive m is chosen to describe flow stress behavio

4、rs for aluminum alloy 7050-T7451. Finally, the JCv, g 0 , ac , awconstitutive mdetermined with two methods is established andFc , Ft ,T t AB = Fssinf / ac aweAB =cosg0 / 2sinfcos(f-g0 )verified based on the results of tests and FEM simulation. Thef,Dycomparing output results of cutting force Fc betw

5、een two methods show the material constitutive m is reliability and reasonable, and superior to only by single test in accuracy and applied range.e AB =vcosg0 / Dycos(f -g0 )s , e , e ,Tt ,e ,e TAB AB ABKeywords-material constitutive m orthognal test; Johnson-Cook;SHPB compression test;Fc , Ft ,T ,f

6、I.引 言材料本構(gòu)模型是描述材料變形中應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率與溫度之間的數(shù)量關(guān)系，是切削過程研究中的重要問題，也是模擬者們嘗試用分離式過程的基礎(chǔ)和首要依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)桿（SHPB）動態(tài)壓縮實驗裝置，壓剪撞擊實驗和儲存機械能的熱模擬試驗機材料實驗方法1-4，或切削實驗等5,6實驗，研究金屬動態(tài)力學(xué)圖 1 研究思路與實驗方法性能及其本構(gòu)模型。以上研究中，利用材料實驗直接擬合 或在模擬中將切削 的刀-屑接觸面摩擦設(shè)為定值，所得到的本構(gòu)模型精度很難保證；采用切削實驗建立了切削III.實驗過程過的應(yīng)力本構(gòu)模型，由于當(dāng)時數(shù)值模擬技術(shù)A. SHPB 沖擊壓縮實驗實驗在高溫分離式發(fā)展和實驗的限制，且實驗溫度為公式計

7、算溫度，對（Hopkinson）壓桿實驗其模型的精度和準(zhǔn)確性有較大的影響。目前綜合利用材料 壓縮實驗和切削實驗方法建立大的應(yīng)變和應(yīng)變率范圍下的 材料本構(gòu)模型還未見諸于文獻。航空鋁合金 7050-T7451裝置（SHPB）上進行，通過高速撞擊的方式在輸入桿中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力脈沖，并沿輸入桿通過試樣透射到輸出桿中，輸出瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率，如圖 2。多為整體薄壁結(jié)構(gòu)件， 周期長，易變形。本文以7050-T7451 為研究材料，基于準(zhǔn)確建立在不同應(yīng)變、應(yīng)變率條件下的本構(gòu)模型，進而實現(xiàn)對其高精度有限元模擬，對航空制造業(yè)現(xiàn)場藝具有重要意義。變形，合理制定工II.研究技術(shù)路線(SHPB)壓桿壓縮實驗是

8、已被證實常規(guī)分離式適用于研究材料動態(tài)力學(xué)性能的實驗方法，但此實驗方式 瞬間沖擊壓縮的應(yīng)變、應(yīng)變率范圍有限，而切削實驗可以圖 2 高溫 SHPB 動態(tài)壓縮試驗裝置示意圖* Shandong Scientific Research Foundation for Excellent Young Scientists (BS2009ZZ003) & Science & Technology Research Fund of University of Jinan (XKY1002)978-0-7695-4031-3/10 $26.00 © 2010 IEEE DOI 10.1

9、109/iCECE.2010.51821057050-T7451 鋁合金通過熱電偶加熱爐變形溫度范A. 切削速度對不同參數(shù)的影響趨勢根據(jù)快速落刀實驗，得到不同切削速度下測量的實驗剪切角值如表 1 所示。表 1 不同切削速度下的剪切角實驗值圍 200-550，每間隔 50為一實驗測試點，應(yīng)變率在 2800s-1,比較不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖 3 示。圖 3 SHPB 實驗中應(yīng)力-應(yīng)變曲線實驗證明，隨著切削速度的增加，剪切角度有逐步增加的趨勢，而剪切角的變化，也會對材料的剪應(yīng)變產(chǎn)生影 響，剪應(yīng)變會相應(yīng)的影響。如圖 3 所示，應(yīng)力先隨著應(yīng)變的增加迅速升高，到達峰值后，進入穩(wěn)態(tài)增長狀態(tài)，應(yīng)力

10、值基本保持不變。在應(yīng)變率相同時，溫度越高，該峰值越低；隨著溫度的逐漸升高，流變應(yīng)力逐漸降低，應(yīng)力曲線呈微波浪狀， 這是由于合金發(fā)生動態(tài)軟化而造成的。B. 正交切削實驗設(shè)計不同切削速度下的直角切削力測量實驗和快速落刀實驗，其他切削用量為：ac =0.10.5mm，aw =1.5mm， 刀片為硬質(zhì)合金 YG6(r0=0°,a0 =6°)。基于正交切削模型(見圖 1)，計算剪切應(yīng)力tAB的切削力 Fc,FT 由采用重慶迪佳科技公司的車削測力儀完成。其中f ， Dy 可由快速落刀實驗獲得的金相進行測量。在 C616 車床利用彈簧式快速落刀裝置（合肥工業(yè)大學(xué)）完成實驗，干切削，具體實

11、驗過程見圖 4 所示。a) 切削速度對應(yīng)變率的影響b) 切削速度對應(yīng)變的影響圖 4 f , Dy 的測量原理與過程采用自然熱電偶法測溫裝置，將車刀和工件作為熱電偶的兩極，在車床 C6140 上完成切削溫度的測量，利用大和處理7。連理工大學(xué)開發(fā)的 DUT6000 系統(tǒng)完成c) 切削速度對溫度的影響圖 5 切削速度對應(yīng)變，應(yīng)變率與溫度影響趨勢IV.結(jié)果與分析2106e ´ 1 0 5 s -1 參數(shù)名稱1234v（m/min）250350400450f （ ° ）30.732.0532.7933.04參數(shù)名稱5678v（m/min）500550600650f （ °

12、）33.5433.8533.9533.2溫度的關(guān)系進行描述,根據(jù)實驗結(jié)果利用 MAPLE 對數(shù)據(jù)計算得到其中的材料常數(shù)的值，鋁合金 7050-T7451 的 JC 本構(gòu)模型為：將實驗結(jié)果代入正交切削模型進行計算，得到在不同 切削參數(shù)下剪切 應(yīng)力tAB，剪應(yīng)變e AB ，剪應(yīng)變率e AB的值，并研究不同情況下的影響趨勢。其中切削速度 v 對ùæùm öé e é T -T剪應(yīng)力 t,應(yīng)變e和應(yīng)變率 e的影響趨勢，如圖 5。 ()s = A+ Be1+Cln（1+ ）úç1- ê r ú ÷

13、; H（T）(1)nABABABêûç÷e 0ëTm -Tr ûëèø實驗結(jié)果表明隨著切削速度的增加，應(yīng)變率隨著切削速度的增加顯著增大，材料表現(xiàn)出了應(yīng)變率硬化的趨勢如 圖 5a)，從 0.45 ´ 105 增大到 1.89 ´ 105 s-1；而隨著切削速度的增加，剪切角增大，剪應(yīng)變有逐漸降低的趨勢，見圖 5 b)；同時切削溫度也隨切削速度的增加，而穩(wěn)步的增高。正交切削實驗法中得到的溫度和剪應(yīng)變與剪應(yīng)力的影 響規(guī)律，如圖 6 所示。隨著溫度的增高，應(yīng)力的值相應(yīng)的下降，這是由于工件材料隨

14、著溫度的增高，出現(xiàn)了熱軟化 的現(xiàn)象；此外隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸增加趨 勢。這與常規(guī) SHPB 動態(tài)壓縮實驗中得到的 7050-T74518 影響的定性結(jié)果吻合。根據(jù)航空鋁合金 7050-T7451 正交切削實驗的計算結(jié)果，利用數(shù)值計算軟件 Maple 進行求解計算，可以得到在高溫、高應(yīng)變、高應(yīng)變率下的材料 Johnson-Cook 本構(gòu)方的 5 個材料參數(shù)值，見表 2。V.模擬驗證將正交切削法與 SHPB 壓縮實驗建立的本構(gòu)方程9 分別進行有限元（Deform）模擬, 以輸出的主切削力與實驗測量值比較，如圖 7、圖 8 所示。a) SHPB 實驗過程模擬a) 溫度-應(yīng)力曲線eb) 應(yīng)變

15、-應(yīng)力曲線圖 6 在 SHPB 實驗得到的應(yīng)力變化曲線B. 修正本構(gòu)模型建立應(yīng)用充分考慮溫度軟化效應(yīng)和應(yīng)變、應(yīng)變率強化效應(yīng)的 Johnson-Cook(JC) 9本構(gòu)模型對應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率及b) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較圖 7 SHPB 壓縮沖擊實驗過程模擬SHPB 實驗中產(chǎn)生的誤差主要是由于常規(guī) SHPB 動態(tài)壓縮實驗中應(yīng)力波的時間測量誤差，造成實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的 誤差。表 2 鋁合金 7050-T7451 的 JC 模型中的材料參數(shù)值和適用范圍應(yīng)用方法e =1 s-1 ; Troom=25; Tmelt=63502107tt方法ABCnmH(T)T ee s-1SHPB435.72534.60.

16、0190.5040.971254650.10.86.5 ´ 1023. 5 ´ 103435.72534.60.0190.5040.970.79465550切削463.4319.50.0270.320.9911122390.8-1.94.2 ´ 1041.89 ´ 105圖 8 為切削速度 v=600m/min 切削出的切削力實驗值與模擬值的比較。的應(yīng)力場與輸VI.結(jié)論本文通過常規(guī)材料壓縮實驗（SHPB）和正交切削實驗 對不同應(yīng)力應(yīng)變范圍的適用條件， 研究了航空鋁合金7050-T7451 的動態(tài)力學(xué)性能。主要完成了以下的工作：1 ） 在不同的實驗條件下，

17、隨著溫度的增高， 7050-T7451應(yīng)力的值相應(yīng)的下降，證明了鋁合金材料的熱軟化現(xiàn)象；此外隨著應(yīng)變增大應(yīng)力也相應(yīng)增大；2）研究了切削中切削速度對應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率的影響趨勢。其中切削速度對應(yīng)變率的影響最為顯著；3）基于修正的 JC 模型，建立了能夠反映航空鋁合金7050-T7451 切削中的動態(tài)應(yīng)力本構(gòu)模型，分析了其材料參數(shù)變化的，并利用有限元模擬驗證了此模型的可靠性與可行性。a) 切削過的應(yīng)力場REFERENCESPartchapol Sartkulvanich, Frank Koppka and Taylan Altan Determination of flow stress for

18、m cutting simulation-a progress report Journal of Materials Processing Technology, 2004(146): 61-7112Mahmoud Shatla, Christian Kerk and Taylan Altan Process ming(Part I): Determination of flow stress data International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2001, 41: 1511-15343Songwon Seo, Oakk

19、ey Min and Hyunmo Yang Constitutive equation for Ti-6Al-4V at high temperatures measured using the SHPB technique International Journal of Impact Engineering, 2005(31):735-754N Fang A new quantitative sensitivity analysis of the flow stress of 18 engineering materials in machining Transactions of th

20、e ASME, 2005, 127(4): 192-196Y B Guo and C R Liu, Mechanical properties of hardened AISI 52100 steel in hard machining Journal Manufacturing Science Engineering of ASME, 2002(124):1-9M J Wang Dynamic mechanical properties of m s obtained from45b) 切削力實驗與模擬值的比較圖 8 切削實驗過程模擬與實驗值比較圖 8 表明基于切削實驗所建立的本構(gòu)模型模擬得

21、到的6orthogonal machining method 594-600Science Bulletin, 1990, 35(7):7Wan Yi Reseach on failure mechanism and tool life in high milling alumimum alloyShandong University Doctoral Dissertation , Jinan :切削力與實驗值具有較好的吻合性。證明了在切削中的高應(yīng)變、高應(yīng)變率條件下，利用正交切削法建立本構(gòu)模 型的可靠性與可行性。以上結(jié)果證明了所得到的關(guān)于修正 的 JC 模型的材料常數(shù)，可以在不同應(yīng)變、應(yīng)變率范圍內(nèi)較好的描述鋁合金 7050-T7451 的材料力學(xué)性能。表中不同