鋁合金高速銑削的應(yīng)力研究

□ 呂廣昱

陜西航天導(dǎo)航設(shè)備有限公司 陜西寶雞 721006

在現(xiàn)代軍工、航天等工業(yè)中，高速銑削已廣泛用于加工技術(shù)要求較高的精密傳感器的安裝平臺(tái)，但精度和效率間的矛盾一直困擾著相關(guān)業(yè)界。加工中的變形直接影響零件精度，這是生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題。目前，在這方面加工工藝及相關(guān)研究方面還不很深入，控制加工中變形的相關(guān)工藝措施并不完善。由于變形程度隨零件尺寸的增大而加劇，這種狀況若不加以解決，會(huì)嚴(yán)重制約相關(guān)行業(yè)的發(fā)展；因而研究高速銑削加工變形的機(jī)理及制定相應(yīng)的工藝措施，對(duì)于提高我國(guó)相關(guān)工業(yè)的發(fā)展水平具有重大的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 材料變形原理

機(jī)械加工中產(chǎn)生零件變形的原因十分復(fù)雜，影響因素也是多種多樣，如加工方法及參數(shù)的選擇、材料的組織狀態(tài)（晶粒的種類、大小與疏密程度）、零件的形狀等都會(huì)對(duì)其造成影響。

分析、研究切削原理，不難看出，金屬的切削過(guò)程實(shí)際上是金屬材料在刀具的作用下，發(fā)生彈性變形；隨著刀具繼續(xù)切入，金屬內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生，應(yīng)變不斷增大，逐漸達(dá)到材料的屈服極限，塑性變形開(kāi)始主導(dǎo)整個(gè)變形過(guò)程，金屬的晶格發(fā)生滑移；刀具繼續(xù)前進(jìn)，在應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度后，切屑被從材料上擠裂、脫落［1］。切削應(yīng)力主要由加工抗力和殘余應(yīng)力兩部分組成，其中大部分加工抗力會(huì)隨著切屑的脫落而得到釋放，但仍有一部分會(huì)繼續(xù)作用于工件，而造成一定程度的變形；同時(shí)，刀具對(duì)工件表面的擠壓和摩擦產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力［2］處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，會(huì)受到外界條件變化的影響而釋放，使工件的某些部位產(chǎn)生明顯的變形。

總的來(lái)說(shuō)，因?yàn)榱慵Y(jié)構(gòu)和組織狀況不同，切削應(yīng)力造成的變形不可能均勻發(fā)生在工件的所有部位，這種不均勻的變形最終造成工件整體上的扭曲變形。所以，控制加工中的切削應(yīng)力是減少變形的有效途徑。

為了研究切削應(yīng)力對(duì)工件變形的影響，本文的研究主要是針對(duì)加工參數(shù)和零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

2 模擬分析

通過(guò)對(duì)銑削加工中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬并找出某些規(guī)律，以期可以在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)加工變形的控制。主要從加工參數(shù)和零件結(jié)構(gòu)兩方面分析研究，再輔以對(duì)比優(yōu)化，得出合理加工參數(shù)，并在該條件下進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 加工方式的選擇

2.1.1 刀具進(jìn)給方向的選擇

通常情況下，軋制板料存在較明顯的各向異性，即沿垂直于軋制方向上的屈服應(yīng)力δ0.2大于平行軋制方向的材料的屈服應(yīng)力［3］。 所 以 在 銑 加工時(shí)，刀具的行進(jìn)軌跡應(yīng)盡可能選擇與板料軋制方向一致 （圖 1所示），這樣可以有效地減少切削應(yīng)力的產(chǎn)生。

2.1.2 銑削深度的選擇

銑加工過(guò)程中，銑削深度對(duì)零件加工應(yīng)力有很大的影響，所以分層多次銑削可以有效減少加工應(yīng)力，具體每層切削深度會(huì)在模擬分析過(guò)程中綜合考慮變形量后對(duì)比確定。

▲圖1 刀具軌跡示意圖

2.2 加工模擬分析

本文主要針對(duì)加工條件一致的情況下，不同的主軸轉(zhuǎn)速和刀具行進(jìn)速度產(chǎn)生的加工應(yīng)力對(duì)變形的影響進(jìn)行分析研究。

2.2.1 模型的建立及參數(shù)選擇

選用刀具直徑為10 mm的四刃立銑刀，旋角為45°，軸向切深為2 mm；工件材料為3003鋁合金。為了減少模擬所需要的時(shí)間，本文只進(jìn)行局部切削模擬，三維模型如圖2所示。

▲圖2 銑削三維模型

模擬過(guò)程中作為變量的參數(shù)主要是主軸轉(zhuǎn)速，工作臺(tái)進(jìn)給速度則通過(guò)式（1）計(jì)算得出，詳見(jiàn)表1。

式中：F為工作臺(tái)進(jìn)給速度，mm/s；fz為進(jìn)刀量，mm/刃；Z為銑刀刃數(shù)；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

表1 變量參數(shù)表

2.2.2 數(shù)字模擬

通過(guò)建立的模型，按變量參數(shù)表中的數(shù)值進(jìn)行模擬分析（如圖3所示），可以得到加工中的應(yīng)力值?？偨Y(jié)不同主軸轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)進(jìn)給速度下的模擬結(jié)果，可以繪出相應(yīng)的柱狀圖，如圖4所示。

2.3 模擬結(jié)果分析

▲圖3 加工效果三維圖

▲圖4 加工應(yīng)力圖

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min、工作臺(tái)進(jìn)給速度40 mm/s時(shí)，加工應(yīng)力出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是受到力學(xué)因素的影響［4］，圖5為一組參數(shù)下3個(gè)方向的最大切削力的變化規(guī)律。

圖6所示的切削加工過(guò)程中，工作臺(tái)進(jìn)給速率過(guò)大，造成單刃切削量的增大，使后刀面產(chǎn)生對(duì)工件表面的法向力擠壓工件，隨著刀具回轉(zhuǎn)，前刀面因拉扯切屑而產(chǎn)生作用力增大，而其沿X向和Z向的分力（即X向和Z向的拉應(yīng)力）增大。

▲圖5 3個(gè)方向下刀具最大切削力

所以，基于前述分析，將第3組參數(shù)中的工作臺(tái)進(jìn)給速度由40 mm/s降為39 mm/s后，重新對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，切削應(yīng)力由285 MPa降至260 MPa，由此可見(jiàn)，主軸轉(zhuǎn)速與工作臺(tái)進(jìn)給速度間的協(xié)調(diào)對(duì)切削應(yīng)力有很大的影響。

▲圖6 切削示意圖

3 結(jié)論

高速銑削加工過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速與工作臺(tái)進(jìn)給速度對(duì)切削應(yīng)力有很大的影響，從圖4、圖5也可以看出，一味地提高或降低主軸轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)進(jìn)給速度，并不能在控制變形的同時(shí)提高生產(chǎn)率。在加工前，利用時(shí)下流行的有限元軟件對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可以選取更合理的加工參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，在保證精度的前提下大幅提高產(chǎn)品的加工效率。

［1］ 周華.論金屬切削過(guò)程及其物理現(xiàn)象 ［J］.科技風(fēng),2010（16）.

［2］ 陳德蘭.控制薄壁零件變形的工藝措施 ［J］.裝備制造技術(shù),2010（6）.

［3］ 張德榮.在平行和垂直軋制方向上鈦板的屈服應(yīng)力與R值的定量關(guān)系［J］ .金屬學(xué)報(bào)，1989（6）.

［4］ Okushima K，Kakino Y．The Residual Stress Produced by Metal Cutting［J］．Annals of the CIRP，1971，21（1）．