航空鋁合金7075-T7451薄壁件銑削加工模擬及變形預(yù)測(cè)*

王聰康 彭承明 路 冬 鐘曉宏

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西南昌 330063)

減小加工誤差、提高零件的表面質(zhì)量是制造企業(yè)追求的目標(biāo)。在航空航天制造業(yè)中，飛機(jī)上的翼肋和發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片等薄壁結(jié)構(gòu)件，具有尺寸大、剛度弱、表面精度高等特征，加工中采用數(shù)控銑削成型。在這些結(jié)構(gòu)件的加工中，由于其弱剛度、殘余應(yīng)力、過(guò)大切削力、切削熱等因素，引起工件產(chǎn)生加工變形，極端情況甚至報(bào)廢。為了減小工件的變形，需要對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工進(jìn)行深入的研究。有限元模擬能夠揭示實(shí)驗(yàn)很難獲得的加工數(shù)據(jù)，如切削力、應(yīng)力、變形、材料失效應(yīng)力等。為此，很多做切削仿真的學(xué)者［1-5］致力于二維正交或簡(jiǎn)單三維斜角切削加工變形對(duì)加工誤差影響的研究，而針對(duì)貼近實(shí)際的三維斜角切削過(guò)程模擬研究得很少。因此，為了更好地發(fā)揮銑削仿真機(jī)能，提高實(shí)際加工精度和切削效率，筆者采用非線性功能強(qiáng)大的有限元分析軟件ABAQUS6.8，綜合考慮金屬切削機(jī)理及材料物理性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立了切削力模型，研究了上層材料對(duì)下層材料切削力的影響，并對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，有效地預(yù)測(cè)工件加工變形，提高加工質(zhì)量。

1 有限元分析模型

1.1 初始?xì)堄鄳?yīng)力施加

毛坯采用航空鋁合金7075-T7451為加工原件。在毛坯內(nèi)施加X(jué)向和Z向的初始?xì)堄鄳?yīng)力，其內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布規(guī)律如圖1所示。

1.2 三維斜角銑削模型建立

系統(tǒng)采用ABAQUS有限元分析軟件的動(dòng)力、顯式分析模塊。刀具單元選取為三角形單元，網(wǎng)格尺寸為0.51 mm，單元類型為3節(jié)點(diǎn)三維縮減積分單元R3D3。工件網(wǎng)格采用局部網(wǎng)格技術(shù)，在應(yīng)力較集中的部位采用較密的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.10 mm，在距離切削較遠(yuǎn)的部位采用較粗大的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1.00 mm，單元類型為六面體8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體縮減積分單元C3D8R。通過(guò)有限元軟件建立的有限元銑削模型如圖2所示。

1.3 工件材料本構(gòu)模型的建立

(1)材料的本構(gòu)關(guān)系

本文采用 Johnson-Cook準(zhǔn)則來(lái)描述工件材料［6］。Johnson-Cook準(zhǔn)則常用于模擬金屬材料從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)行為，該模型利用變量乘積關(guān)系分別描述應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的影響。Johnson-Cook準(zhǔn)則具體表述為：

(2)材料的失效準(zhǔn)則

隨著刀具的切入，當(dāng)工件材料的等效塑性應(yīng)變D達(dá)到1.0時(shí)，材料失效，實(shí)現(xiàn)被切單元與工件脫離。其失效準(zhǔn)則是把每個(gè)工件單元定義為等效塑性應(yīng)變：

式中：屈服應(yīng)力的變化率σ*=，其中，σm為屈服應(yīng)力為非應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力。D(ii=1，2，3，4，5)為材料參數(shù)。

1.4 材料的熱參數(shù)

材料的熱參數(shù)包括［6］：(1)熱傳導(dǎo)率 Tc；(2)熱膨脹系數(shù)α；(3)比熱c。鋁合金7075-T7451的熱參數(shù)值如下表1所示。

表1 鋁合金7075-T7451材料的熱參數(shù)

2 切削加工過(guò)程模擬

本研究刀具前角αn=19°，刃傾角γ=29°，寬度設(shè)為3.8 mm，其材料性能參數(shù)如表2所示。工件尺寸為12 mm×3 mm×5 mm，材料選定為航空鋁合金7075-T7451，其主要力學(xué)性能參數(shù)如表3所示，其他性能參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)［7］。模擬分析過(guò)程，刀具切削線速度設(shè)為V=15 mm/s，切削深度為0.5 mm，進(jìn)行模擬分析計(jì)算，具體模擬過(guò)程，如圖3所示。

表2 合金刀具材料參數(shù)

表3 7075-T7451鋁合金材料的力學(xué)性能參數(shù)

3 仿真結(jié)果與分析

在工件銑削完第二刀后的表面中間沿X向邊緣分別取一系列節(jié)點(diǎn)，形成路徑Path-1，如圖4白線所示。

3.1 切削力仿真值分析

切削力仿真模擬值，如圖5所示為工件-刀具所受合力的力-時(shí)間圖。由圖可知，切削第一刀時(shí)切削力約為158 N，波動(dòng)較?。磺邢鞯诙稌r(shí)切削力約為135 N，波動(dòng)較大。切削下層材料比切削上層材料時(shí)約小23 N，原因是切削第一刀時(shí)產(chǎn)生的切削熱導(dǎo)致下層材料軟化，切削力減小。

3.2 工件變形分析

由路徑Path-1上的位移可知(圖6)，工件在末邊緣0～2 mm處位移較大，最大變形在加工邊緣處，約為0.12 mm，加工表面誤差度約為0.8 μm。由于加工溫度使加工表面材料軟化，受到刀具擠壓的切削力作用，使工件靠近邊緣0～2 mm處產(chǎn)生較大位移。

3.3 切屑分析

圖7為航空鋁合金7075-T7451材料有限元模擬的切屑和實(shí)驗(yàn)切屑的對(duì)比，可知兩種切屑的形狀和大小都很相近，都是螺旋卷起來(lái)，直徑為1～2 mm。

3.4 切削力試驗(yàn)值

為了驗(yàn)證三維斜角切削數(shù)值模擬結(jié)果的精確性，本研究結(jié)合工廠常用銑削厚度的實(shí)驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)工件材料為航空鋁合金7075-T7451，刀具采用與模擬中相同幾何角度的φ16兩齒整體硬質(zhì)合金立銑刀，螺旋角αh=30°。切削試驗(yàn)是在高速精密五軸聯(lián)動(dòng)米克朗UCP600 Vario數(shù)控加工中心上進(jìn)行的，切削力測(cè)量采用Kistler9257B型三向壓電式測(cè)力儀。每一微段銑削保證寬度b=3 mm，銑削厚度h設(shè)為0.5 mm，測(cè)得第一刀銑削力150.94 N，與仿真值158 N的誤差度為4.68%，可見(jiàn)本仿真是可行的。其切削力測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究所建立的航空鋁合金7075-T7451材料薄壁件銑削加工模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，較已有的有限元模型，模擬過(guò)程更貼近工程實(shí)際，主要獲得以下規(guī)律：

(1)切削力仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，誤差小于5%。

(2)工件變形情況 工件在末邊緣0～2 mm處位移較大，最大變形在加工邊緣處，約為0.12 mm，加工表面誤差度約為0.8 μm。

(3)上層材料對(duì)下層材料切削力的影響切削第一刀時(shí)切削力約為158 N，波動(dòng)較?。磺邢鞯诙稌r(shí)切削力約為135 N，波動(dòng)較大。切削下層材料比切削上層材料時(shí)約小23 N。

(4)切屑形狀與大小等規(guī)律仿真模擬切屑的大小形狀與實(shí)驗(yàn)切屑都很相似，都是螺旋卷起來(lái)的，直徑為1～2 mm。

［1］O.Pantale，J.-L.Bacaria，O.Dalverny，et al.2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects［J］.Computer methods in applied mechanics and engineering，2004(193)：4383-4399.

［2］萬(wàn)敏，張衛(wèi)紅.薄壁件周銑切削力建模與表面誤差預(yù)測(cè)方法研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2005，26(5)：598-603.

［3］畢運(yùn)波，柯映林，董輝躍.航空鋁合金薄壁件加工變形有限元仿真與分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(3)：397-402.

［4］董輝躍，柯映林，成群林.鋁合金三維銑削加工的有限元模擬與分析［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(5)：759-762.

［5］路冬，李劍峰，融亦鳴，等.航空鋁合金7075-T745三維銑削過(guò)程的有限元仿真［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19(22)：2708-2710.

［6］G.R.Johnson，W.H.Cook，F(xiàn)racture characterist-ics of three metals subjected to various strains，strain rates，temperatures and pressu-res，Engrg.Fracture Mech，1985，21(1)：34-48.

［7］王祝堂，田榮漳.鋁合金及其加工手冊(cè)［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2000.