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1、2010 International Conference on Electrical and Control Engineering基于 SHPB 压缩实验和正交切削实验法建立材料本构模型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获得材料压缩实验难以达到的应变与应变率范围。因此通 过这两种方法结合，实现在较大范围应变率和应变建立材behavior require material constitutive min machining asfunction of strain, strain rate and temperature. In the

3、paper料本构模型。具体的研究方法与采用的切削1 所示。实验如图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 言材料本构模型是描述材料变形中应力与应变、应变率与温度之间的数量关系，是切削过程研究中的重要问题，也是模拟者们尝试用分离式过程的基础和首要依据。国内外学杆（SHPB）动态压缩实验装置，压剪撞击实验和储存机械能的热模拟试验机材料实验方法1-4，或切削实验等5,6实验，研究金属动态力学图 1 研究思路与实验方法性能及其本构模型。以上研究中，利用材料实验直接拟合 或在模拟中将切削 的刀-屑接触面摩擦设为定值，所得到的本构模型精度很难保证；采用切削实验建立了切削III.实验过程过的应力本构模型，由于当时数值模拟技术A. SHPB 冲击压缩实验实验在高温分离式发展和实验的限制，且实验温度为公式计

7、算温度，对（Hopkinson）压杆实验其模型的精度和准确性有较大的影响。目前综合利用材料 压缩实验和切削实验方法建立大的应变和应变率范围下的 材料本构模型还未见诸于文献。航空铝合金 7050-T7451装置（SHPB）上进行，通过高速撞击的方式在输入杆中产生压缩应力脉冲，并沿输入杆通过试样透射到输出杆中，输出瞬间产生的应力、应变和应变率，如图 2。多为整体薄壁结构件， 周期长，易变形。本文以7050-T7451 为研究材料，基于准确建立在不同应变、应变率条件下的本构模型，进而实现对其高精度有限元模拟，对航空制造业现场艺具有重要意义。变形，合理制定工II.研究技术路线(SHPB)压杆压缩实验是

8、已被证实常规分离式适用于研究材料动态力学性能的实验方法，但此实验方式 瞬间冲击压缩的应变、应变率范围有限，而切削实验可以图 2 高温 SHPB 动态压缩试验装置示意图* 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 铝合金通过热电偶加热炉变形温度范A. 切削速度对不同参数的影响趋势根据快速落刀实验，得到不同切削速度下测量的实验剪切角值如表 1 所示。表 1 不同切削速度下的剪切角实验值围 200-550，每间隔 50为一实验测试点，应变率在 2800s-1,比较不同应变率下的应力-应变曲线,如图 3 示。图 3 SHPB 实验中应力-应变曲线实验证明，随着切削速度的增加，剪切角度有逐步增加的趋势，而剪切角的变化，也会对材料的剪应变产生影 响，剪应变会相应的影响。如图 3 所示，应力先随着应变的增加迅速升高，到达峰值后，进入稳态增长状态，应力

10、值基本保持不变。在应变率相同时，温度越高，该峰值越低；随着温度的逐渐升高，流变应力逐渐降低，应力曲线呈微波浪状， 这是由于合金发生动态软化而造成的。B. 正交切削实验设计不同切削速度下的直角切削力测量实验和快速落刀实验，其他切削用量为：ac =0.10.5mm，aw =1.5mm， 刀片为硬质合金 YG6(r0=0°,a0 =6°)。基于正交切削模型(见图 1)，计算剪切应力tAB的切削力 Fc,FT 由采用重庆迪佳科技公司的车削测力仪完成。其中f ， Dy 可由快速落刀实验获得的金相进行测量。在 C616 车床利用弹簧式快速落刀装置（合肥工业大学）完成实验，干切削，具体实

11、验过程见图 4 所示。a) 切削速度对应变率的影响b) 切削速度对应变的影响图 4 f , Dy 的测量原理与过程采用自然热电偶法测温装置，将车刀和工件作为热电偶的两极，在车床 C6140 上完成切削温度的测量，利用大和处理7。连理工大学开发的 DUT6000 系统完成c) 切削速度对温度的影响图 5 切削速度对应变，应变率与温度影响趋势IV.结果与分析2106e ´ 1 0 5 s -1 参数名称1234v（m/min）250350400450f （ ° ）30.732.0532.7933.04参数名称5678v（m/min）500550600650f （ °

12、）33.5433.8533.9533.2温度的关系进行描述,根据实验结果利用 MAPLE 对数据计算得到其中的材料常数的值，铝合金 7050-T7451 的 JC 本构模型为：将实验结果代入正交切削模型进行计算，得到在不同 切削参数下剪切 应力tAB，剪应变e AB ，剪应变率e AB的值，并研究不同情况下的影响趋势。其中切削速度 v 对ùæùm öé e é T -T剪应力 t,应变e和应变率 e的影响趋势，如图 5。 ()s = A+ Be1+Cln（1+ ）úç1- ê r ú ÷

13、; H（T）(1)nABABABêûç÷e 0ëTm -Tr ûëèø实验结果表明随着切削速度的增加，应变率随着切削速度的增加显著增大，材料表现出了应变率硬化的趋势如 图 5a)，从 0.45 ´ 105 增大到 1.89 ´ 105 s-1；而随着切削速度的增加，剪切角增大，剪应变有逐渐降低的趋势，见图 5 b)；同时切削温度也随切削速度的增加，而稳步的增高。正交切削实验法中得到的温度和剪应变与剪应力的影 响规律，如图 6 所示。随着温度的增高，应力的值相应的下降，这是由于工件材料随

14、着温度的增高，出现了热软化 的现象；此外随着应变的增大，应力都呈现逐渐增加趋 势。这与常规 SHPB 动态压缩实验中得到的 7050-T74518 影响的定性结果吻合。根据航空铝合金 7050-T7451 正交切削实验的计算结果，利用数值计算软件 Maple 进行求解计算，可以得到在高温、高应变、高应变率下的材料 Johnson-Cook 本构方的 5 个材料参数值，见表 2。V.模拟验证将正交切削法与 SHPB 压缩实验建立的本构方程9 分别进行有限元（Deform）模拟, 以输出的主切削力与实验测量值比较，如图 7、图 8 所示。a) SHPB 实验过程模拟a) 温度-应力曲线eb) 应变

15、-应力曲线图 6 在 SHPB 实验得到的应力变化曲线B. 修正本构模型建立应用充分考虑温度软化效应和应变、应变率强化效应的 Johnson-Cook(JC) 9本构模型对应力、应变、应变率及b) 应力-应变曲线的比较图 7 SHPB 压缩冲击实验过程模拟SHPB 实验中产生的误差主要是由于常规 SHPB 动态压缩实验中应力波的时间测量误差，造成实验数据结果的 误差。表 2 铝合金 7050-T7451 的 JC 模型中的材料参数值和适用范围应用方法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图 8 为切削速度 v=600m/min 切削出的切削力实验值与模拟值的比较。的应力场与输VI.结论本文通过常规材料压缩实验（SHPB）和正交切削实验 对不同应力应变范围的适用条件， 研究了航空铝合金7050-T7451 的动态力学性能。主要完成了以下的工作：1 ） 在不同的实验条件下，

17、随着温度的增高， 7050-T7451应力的值相应的下降，证明了铝合金材料的热软化现象；此外随着应变增大应力也相应增大；2）研究了切削中切削速度对应力、应变及应变率的影响趋势。其中切削速度对应变率的影响最为显著；3）基于修正的 JC 模型，建立了能够反映航空铝合金7050-T7451 切削中的动态应力本构模型，分析了其材料参数变化的，并利用有限元模拟验证了此模型的可靠性与可行性。a) 切削过的应力场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) 切削力实验与模拟值的比较图 8 切削实验过程模拟与实验值比较图 8 表明基于切削实验所建立的本构模型模拟得

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 :切削力与实验值具有较好的吻合性。证明了在切削中的高应变、高应变率条件下，利用正交切削法建立本构模 型的可靠性与可行性。以上结果证明了所得到的关于修正 的 JC 模型的材料常数，可以在不同应变、应变率范围内较好的描述铝合金 7050-T7451 的材料力学性能。表中不同