航空鋁合金薄壁件高速銑削受力變形的試驗(yàn)研究

陸 穎，范世平，鮑永杰，高 航

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

航空鋁合金薄壁件高速銑削受力變形的試驗(yàn)研究

陸 穎1，范世平1，鮑永杰2，高 航2

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

試驗(yàn)研究了高速銑削航空鋁合金薄壁件側(cè)壁時(shí)切削力隨銑削工藝參數(shù)變化的規(guī)律，給出了薄壁件側(cè)壁高速銑削加工變形隨銑削工藝參數(shù)變化的規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)航空鋁合金薄壁件側(cè)壁高速銑削加工變形進(jìn)行了有限元分析，進(jìn)而提出了通過優(yōu)化銑削工藝參數(shù)改善航空鋁合金薄壁件高速銑削加工變形的工藝途徑.

航空；鋁合金；高速切削；高速銑削；切削力；銑削力；薄壁；加工變形

飛機(jī)上很多重要零件是由整塊鋁合金銑削而成的，需要切除大量的金屬，有時(shí)甚至達(dá)到90%.采用高速或超高速銑削方法是解決航空鋁合金結(jié)構(gòu)件加工效率最有效的技術(shù)之一［1-3］.半個(gè)多世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速切削機(jī)理及高速切削機(jī)床與刀具進(jìn)行了大量的理論與試驗(yàn)研究，并進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段［4-7］.然而針對(duì)航空鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速銑削工藝開展的研究目前雖然已經(jīng)有較多的報(bào)道，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中仍然存在這樣或那樣的問題，特別是航空鋁合金薄壁件側(cè)壁高速銑削加工變形問題仍然是困擾提高加工效率的一個(gè)原因［2，8］.針對(duì)這一問題，本文以某航空鋁合金結(jié)構(gòu)件為例，通過試驗(yàn)研究了高速銑削航空鋁合金工藝參數(shù)對(duì)銑削力和工件銑削變形的影響規(guī)律，進(jìn)而采用有限單元法從理論上分析了銑削力對(duì)薄壁件加工變形的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用某航空薄壁結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用的材料均為某牌號(hào)航空用高強(qiáng)度鋁合金.其力學(xué)性能如表1所示.全部高速銑削試驗(yàn)均在某大型動(dòng)橋式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速銑床（如圖2所示）上進(jìn)行，該機(jī)床的主軸最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到24 000r／min.試驗(yàn)所用刀具為直徑20mm的螺旋齒棒銑刀，具體參數(shù)如表2所示.

圖1 薄壁試件加工示意圖Fig.1 Processing schematic of thin-walled specimen

圖2 動(dòng)橋式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速銑床Fig.2 Electric overhead five-axis CNC high-speed milling

表1 某牌號(hào)航空用高強(qiáng)度鋁合金力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of Certain grade high-strength aero aluminum alloy

表2 試驗(yàn)選用的刀具參數(shù)表Table 2 Parameter list of the tools selected in the test

1.2 測(cè)力系統(tǒng)

本試驗(yàn)的測(cè)力系統(tǒng)由YDX-Ⅲ9702型壓電三向銑削測(cè)力儀、YE5850型電荷放大器、PCI-9118DG采集卡和計(jì)算機(jī)組成（如圖3所示）.測(cè)力儀將X、Y、Z三個(gè)方向的銑削力FX、FY、FZ信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過電荷放大器進(jìn)行放大，最后輸送到采集卡，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理進(jìn)而得出三個(gè)方向的銑削力的具體數(shù)值.PCI-9118DG數(shù)據(jù)采集卡的單通道最高采集頻率可達(dá)330kHz，完全可以滿足本試驗(yàn)高速銑削的測(cè)力要求.

圖3 測(cè)力系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of force measuring system

2 工藝參數(shù)對(duì)銑削力的影響

2.1 銑削力隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律

切削力與零件的加工變形量、零件的表面質(zhì)量、刀具壽命、切削振動(dòng)均有著密切的關(guān)系，所以進(jìn)行了切削力隨工藝參數(shù)變化的試驗(yàn)，得出了圖4～圖6幾組曲線.規(guī)定銑刀進(jìn)給方向?yàn)閄方向，銑刀軸線方向?yàn)閆方向，與X、Z垂直的方向?yàn)閅方向.讀數(shù)時(shí)，取X、Y、Z各方向切削力穩(wěn)態(tài)值最大值的平均值作為結(jié)果.

從圖4、圖6可以看出，各方向的切削力均隨著切削深度、每齒進(jìn)給量的增加而增加.由圖5可以看出，當(dāng)切削寬度小于8mm時(shí)，各向切削力隨著切削寬度的增加而增大.當(dāng)切削寬度超過8mm時(shí)，Y向切削力隨著切削寬度的增加而減小，而后又增大，然后再減小，但變化的幅值不是很大；此階段X向切削力仍然不斷增長(zhǎng)，直到切削寬度為18mm時(shí)才略有下降；Z向切削力在切削X寬度為8mm以后開始下降，但直到切削寬度達(dá)18mm為止，變化幅度不是很明顯.從整個(gè)圖形來看，切削力隨著切削寬度的變化規(guī)律是錯(cuò)綜復(fù)雜的，這是由于在切削寬度較小時(shí)，本試驗(yàn)所采用的三齒銑刀的三個(gè)齒輪流進(jìn)行切削，所測(cè)得的切削力為單齒切削所產(chǎn)生的切削力，當(dāng)切削寬度較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)銑刀的兩個(gè)齒同時(shí)進(jìn)行切削的情形，所以此時(shí)所測(cè)得的切削力包含了兩個(gè)齒的切削力相互疊加合成的結(jié)果，從而使切削力的變化規(guī)律復(fù)雜起來.當(dāng)切削寬度接近20mm時(shí)，由于切入時(shí)切屑厚度很薄，因此切削變得平穩(wěn)起來，銑刀切入時(shí)的沖擊力有所減小，這可能是在切削寬度為20mm時(shí)切削力突然變小的原因.

圖4 切削深度ap對(duì)切削力的影響Fig.4 Influence of depth of cut apon cutting force

圖5 切削寬度對(duì)切削力的影響Fig.5 Influence of width of cut on cutting force

圖6 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響Fig.6 Influence of feed per tooth on cutting force

為考察高速銑削時(shí)切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律，本試驗(yàn)中將主軸轉(zhuǎn)速從100r／min逐漸升高至22 000r／min，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.從圖7可以看出，隨著切削線速度（即主軸轉(zhuǎn)速）的提高，F(xiàn)X、FY先增大后減小，F(xiàn)Z的變化規(guī)律不是很明顯.在試驗(yàn)過程中還觀察到一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過4 000r／min（對(duì)應(yīng)的線速度為251m／min）以后出現(xiàn)了蜂鳴聲，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，蜂鳴聲越來越刺耳，直到主軸達(dá)到最高轉(zhuǎn)速22 000r／min（對(duì)應(yīng)的線速度為1 382m／min），這種聲音仍然很強(qiáng)烈，這種聲音也是用本臺(tái)機(jī)床實(shí)際高速切削加工飛機(jī)零件時(shí)所聽到的聲音.

圖7 切削速度對(duì)切削力的影響Fig.7 Influence of cutting speed on cutting force

2.2 銑削力波形的變化規(guī)律

在本試驗(yàn)過程中，主軸轉(zhuǎn)速從100r／min逐漸提高至22 000r／min，當(dāng)達(dá)到4 000r／min（對(duì)應(yīng)的線速度為251m／min）時(shí)出現(xiàn)了蜂鳴聲，并且隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)提高，這種聲音越來越刺耳.通過觀察測(cè)力系統(tǒng)記錄下的切削力波形（如圖8所示），可以看到：在主軸轉(zhuǎn)速4 000r／min以下時(shí)，Y方向的切削力只有負(fù)值而幾乎沒有正值；當(dāng)超過4 000r／min時(shí)，Y方向的切削力開始出現(xiàn)正值并且越來越大，直到主軸轉(zhuǎn)速為16 000r／min（對(duì)應(yīng)的線速度為1 005m／min）時(shí)，Y方向的切削力正值達(dá)到最大（360N），并且X與Z方向也出現(xiàn)了類似的情況.圖8a和圖8b為低速與高速階段切削力波形的對(duì)比.從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速由低到高的過程中，不但切削力的數(shù)值發(fā)生了變化，而且切削力信號(hào)波形的形狀也發(fā)生了變化.

圖8 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的銑削力信號(hào)波形Fig.8 Milling force signal waveform in different speed

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是在切削過程中產(chǎn)生了振動(dòng).可以把試件和傳感器看做一個(gè)彈性系統(tǒng)，把銑刀齒銑入的過程看成是對(duì)系統(tǒng)的高頻擊振，擊振頻率越接近系統(tǒng)的固有頻率，系統(tǒng)的振動(dòng)越明顯，以至于某一主軸轉(zhuǎn)速下工件和傳感器出現(xiàn)了明顯的振動(dòng).

3 工藝參數(shù)對(duì)薄壁件加工變形的影響

飛機(jī)零件內(nèi)部多采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu).加強(qiáng)筋通常是長(zhǎng)條形薄壁，它具有壁厚小、長(zhǎng)度大等特點(diǎn).在加工過程中，加強(qiáng)筋的讓刀變形往往使其形成倒楔形結(jié)構(gòu)，壁厚精度下降問題嚴(yán)重，這種結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生便極難消除，這樣就會(huì)大大降低零件的加工質(zhì)量.本試驗(yàn)的目的是找出零件實(shí)際壁厚與理論壁厚的差值隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo).

試驗(yàn)采用雙面分層銑削的辦法來加工薄壁件（如圖1所示），兩個(gè)面的切削寬度加工余量相同，通過分層進(jìn)行多次銑削加工出薄壁件.試驗(yàn)分為4組，分別研究加工變形量隨切削速度、每齒進(jìn)給量、切削深度、切削寬度的變化規(guī)律，每組7個(gè)薄壁件，共加工28個(gè)薄壁件.粗、精加工后的試件如圖9所示.

圖10～圖13為試驗(yàn)測(cè)得的切削工藝參數(shù)對(duì)薄壁厚度的影響規(guī)律.由圖10可知，在切削速度502～904m／min范圍內(nèi)，隨著切削速度的提高，零件壁厚略有減小但是幅度不大.當(dāng)切削線速度達(dá)到1 005～1 105m／min時(shí)，零件壁厚突然增大，分析其原因可能是在此主軸轉(zhuǎn)速下工藝系統(tǒng)發(fā)生了振動(dòng)，致使薄壁在切削受力過程中產(chǎn)生較大變形從而產(chǎn)生較明顯的讓刀現(xiàn)象.

圖9 經(jīng)過粗、精加工后的試件Fig.9 Specimen after rough and finish machining

圖10 切削速度對(duì)壁厚的影響Fig.10 Influence of cutting speed on wall thickness

圖11 每齒進(jìn)給量對(duì)壁厚的影響Fig.11 Influence of feed per tooth on wall thickness

圖12 切削深度對(duì)壁厚的影響Fig.12 Influence of depth of cut on wall thickness

圖13 切削寬度對(duì)壁厚的影響Fig.13 Influence of width of cut on wall thickness

由圖11和圖12可知，總體上來講，壁厚隨著每齒進(jìn)給量和切削深度的增加而增加，這是因?yàn)殡S著每齒進(jìn)給量和切削深度的增加，切削力變得越來越大，讓刀現(xiàn)象越來越嚴(yán)重.在切削深度最小即切削深度為0.3mm的點(diǎn)，得到了4組試驗(yàn)中最小的壁厚2.024mm，由此看出，減小切削深度與每齒進(jìn)給量能夠顯著改善薄壁件的切削變形.

觀察圖13可以發(fā)現(xiàn)：切削寬度在1～3mm范圍內(nèi)，薄壁的厚度隨著切削寬度的增加而減小；在切寬3～7mm范圍內(nèi)，薄壁的厚度基本保持不變.在前面的切削力試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一定的切削寬度范圍內(nèi)，切削力隨著切削寬度的增大而增大，所以從切削力的角度來講，切削變形量即薄壁厚度應(yīng)該隨著切削寬度的增大而增加，但是從另一方面來講，隨著切削寬度的增大即最后一刀留有的余量增大，加工過程中試件的整體剛度也在增大.所以從試件剛度的角度來講，切削變形量即薄壁厚度應(yīng)該隨著切削寬度的增大而減小，兩方面因素同時(shí)對(duì)切削變形量產(chǎn)生著影響，產(chǎn)生了如圖13所示的試件壁厚隨切削寬度變化的規(guī)律.

進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，薄壁兩端的厚度通常大于薄壁中間的厚度，這是因?yàn)楸”谥虚g的剛度大于兩端的剛度，從而導(dǎo)致薄壁中間的切削變形較小.

4 薄壁件加工變形的有限元分析

采用有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的受力變形分析是一種非常有效的方法［9-10］.為了能夠更系統(tǒng)、全面地了解航空鋁合金薄壁件的加工變形規(guī)律，本文選用商用ANSYS軟件對(duì)側(cè)薄壁加工過程的受力變形進(jìn)行了有限元分析，如圖14所示.為了簡(jiǎn)化模型，在分析過程中假設(shè)刀具與機(jī)床均為剛性結(jié)構(gòu)，只有薄壁發(fā)生變形，且不考慮切削沖擊與振動(dòng)的影響.計(jì)算時(shí)僅對(duì)薄壁件中間段上部點(diǎn)的變形進(jìn)行分析.由于銑削側(cè)壁采用的是正反面切法，所以對(duì)正反面分別進(jìn)行加載，將兩次加載所得到的薄壁零件模型Y方向的最大變形量之和作為計(jì)算結(jié)果.加載所用的力是試驗(yàn)測(cè)得的，這里選用切削力Y方向分力的最大值作為載荷.將薄壁實(shí)際厚度與理論厚度（2mm）的差看做加工變形量的實(shí)驗(yàn)值，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖15所示.

圖14 加工變形量的有限元分析Fig.14 Finite element analysis of machining deformation

圖15 加工變形實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的比較Fig.15 Comparison of the experimental and calculated values of machining distortion

實(shí)測(cè)值和理論值所表現(xiàn)出來的加工變形量隨切削寬度變化的總體規(guī)律是相似的，但是有些點(diǎn)的數(shù)值偏差比較大，分析其原因有以下幾點(diǎn)：

（1）在理論計(jì)算中對(duì)薄壁進(jìn)行加載選用的是切削力Y方向的最大值，這個(gè)值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于造成薄壁切削變形的力的數(shù)值，所以在切削寬度比較小即被加工件剛度不足的情況下得出的計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值；

（2）當(dāng)切削寬度比較大即被加工件的剛度比較大時(shí)，刀具與機(jī)床變形造成的讓刀所導(dǎo)致的薄壁厚度誤差占總體薄壁厚度誤差的比例較大，然而在理論計(jì)算時(shí)并沒有考慮刀具與機(jī)床的變形，所以導(dǎo)致了理論計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏?。?/p>

（3）刀具本身的尺寸可能存在一定的下偏差，而且機(jī)床還存在定位精度的問題，所以實(shí)測(cè)厚度與理論厚度的差值并不能完全代表薄壁的加工變形量；

（4）在本試驗(yàn)條件下銑削工件時(shí)存在著振動(dòng)，然而并未考慮這一重要因素，所以可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響.

5 結(jié) 語

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，切削力隨切削深度、每齒進(jìn)給量的增大而增大，隨切削寬度的增大先增大后減小.在主軸高轉(zhuǎn)速的條件下，機(jī)床出現(xiàn)明顯的切削振動(dòng).薄壁零件的加工變形量隨切削深度、每齒進(jìn)給量的增大而增大，隨切削寬度的增大先減小而后保持不變.此外，無論是切削力還是薄壁變形量，都會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化而突然間增大，這可能是由于振動(dòng)造成的.采用小切削深度、小每齒進(jìn)給量、適當(dāng)?shù)那邢鲗挾取O高的主軸轉(zhuǎn)速（從而獲得很高的進(jìn)給速度）的銑削工藝參數(shù)組合，既可以減小薄壁零件的加工變形量，又可以提高銑削效率.

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Experimental Study on Deformation of Aluminium Alloy Thin-wall Components Used in Aviation Caused by Milling Force in Condition of High Speed Milling

LU Ying1，F(xiàn)AN Shiping1，BAO Yongjie2，GAO Hang2

（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Variation rules of cutting force with milling parameters were studied when high speed milling side wall of aluminium alloy thin-wall components used in aviation.In the experimental study，variation rules of high speed milling deformation of thin-wallcomponents with milling parameters were found out.Based on these，high speed milling deformation of thin-wall components were analyzed by means of finite element method and the software of ANSYS.Further，the process method was brought up to reduce the high speed milling deformation of aluminium alloy thin-wall components used in aviation through optimizing milling parameters.

aviation；aluminium alloy；high speed cutting；high speed milling；cutting force；milling force；thin-wall；machining deformation

TG 506

A

1008-9225（2012）03-0027-06

2011-12-18

教育部“十一五”GF基礎(chǔ)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（B1420080214）.

陸 穎（1961-），女，遼寧沈陽人，東北大學(xué)高級(jí)工程師；高 航（1962-），男，福建惠安人，大連理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

李 艷】