高速銑削鋁合金7055銑削力和銑削溫度的仿真研究*

田榮鑫，姚倡鋒，武導(dǎo)俠

（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

高強(qiáng)度鋁合金由于其密度低、比強(qiáng)度高、耐磨性好、加工性能好以及焊接性能良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。但是鋁合金材質(zhì)較軟，加工易產(chǎn)生熱變形，容易粘刀，形成積屑瘤；線膨脹系數(shù)大，裝夾和加工時(shí)容易引起變形，影響尺寸精度。使用鋁合金制造飛機(jī)蒙皮、翼梁、隔框、長桁和起落架時(shí)，加工量非常大，而且許多精密部件需減小結(jié)構(gòu)上的加工變形，鋁合金大型壁板的加工變形問題已成為制約航空業(yè)高速發(fā)展的一大問題。而加工變形主要是由切削過程中的切削力和切削溫度引起的，所以研究切削過程中的切削力和切削溫度很有必要。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金高速銑削過程中的銑削力和銑削溫度進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[2-4]。然而，隨著數(shù)值分析方法的發(fā)展及其在制造業(yè)中應(yīng)用的推廣，Ng等[5]運(yùn)用有限元分析方法研究了刀具磨損對(duì)工件的溫度和剪應(yīng)力分布的影響。由Strenkowski等[6]提出的正交切削的歐拉有限元模型可以對(duì)工件、切屑和刀具的溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。Xie等[7]通過ABAQUS有限元軟件研究了連續(xù)切屑的形成過程，進(jìn)行熱量傳導(dǎo)分析后，獲得了穩(wěn)定切削狀態(tài)下的溫度分布。成群林等[8]對(duì)7050-T745鋁合金的高速銑削過程進(jìn)行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)切削力和切削溫度的仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性。此外，一些學(xué)者通過切削過程的三維仿真研究[9-10]來解決二維仿真精度較低的問題。趙云峰等[11]采用有限元分析軟件AdvantEdge對(duì)鋁合金A12024銑削加工過程中銑削力變化和切削溫度的分布情況進(jìn)行了研究，通過模擬獲得了三向銑削力的變化曲線及工件和刀具上的溫度分布規(guī)律，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真分析獲得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。成群林等[12]結(jié)合立銑加工的實(shí)際情況，建立了面向立銑加工的可用于預(yù)測(cè)不同切削參數(shù)組合下切削力的螺旋齒單刃斜角切削有限元模型。畢運(yùn)波等[13]針對(duì)螺旋齒立銑刀加工過程，模擬分析了工件溫度場(chǎng)的分布和變化， 研究發(fā)現(xiàn)銑削熱只影響到加工表層附近很薄的一部分材料的溫升。

鋁合金易發(fā)生加工變形影響加工精度，而在高速切削范圍內(nèi)，切削力與切削速度成反比，因此高速銑削是減小鋁合金加工變形的有效手段。本文以高速銑削為背景，在使用新型仿真軟件AdvantEdge的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)高速銑削鋁合金7055的銑削力和銑削溫度進(jìn)行了有限元仿真研究。

1 有限元模型的建立

運(yùn)用美國Third Wave Systems 公司開發(fā)的AdvantEdge FEM有限元仿真軟件，仿真分析了7055鋁合金高速銑削過程中的力和溫度，銑削力和銑削溫度仿真模型如圖1所示。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

7055鋁合金假定為可延展的，根據(jù)冪強(qiáng)化法則建立的材料本構(gòu)方程如下[9,14]：如果

如果

式中，為等效Mises應(yīng)力，g為流動(dòng)應(yīng)力，ep為累積塑性應(yīng)變，為累積塑性應(yīng)變率；為基準(zhǔn)塑性應(yīng)變率，為低應(yīng)變率敏感指數(shù)，m2為高應(yīng)變率敏感指數(shù)，為塑性應(yīng)變率分界點(diǎn)。

溫度軟化方程為：

式中，n為強(qiáng)化系數(shù)，T為材料表面溫度，T0為基準(zhǔn)溫度，α為軟化系數(shù)，s0為基準(zhǔn)溫度T0時(shí)的屈服應(yīng)力，ep為累積塑性應(yīng)變，為基準(zhǔn)塑性應(yīng)變。

2 銑削過程仿真

2.1 模擬參數(shù)設(shè)定

仿真過程中具體參數(shù)設(shè)定選擇：工件材料是7055鋁合金，切削類型為順銑，刀具選擇φ12mm 的三齒硬質(zhì)合金刀具，前角14°，后角10°，螺旋角40°，刀尖圓角半徑為0.04mm，冷卻條件為干切削，初始溫度20℃。銑削參數(shù)范圍：銑削速度vc400～1300m/min，每齒進(jìn)給量fz0.02～0.2mm/z，銑削深度ap0.1～1.9mm，銑削寬度ae2～11mm。

2.2 仿真過程分析

銑削時(shí)影響切削力的主要因素是切削層的厚度，銑削過程中的切削層厚度直接影響金屬彈、塑性變形產(chǎn)生的銑削變形抗力，以及切屑與刀具的摩擦阻力。圖2為當(dāng)vc=800m/min、fz=0.04mm/z、ap=0.5mm、ae=6mm 時(shí)，一個(gè)刀齒切入材料到切出材料獲得的切削力（Fx、Fy）和切削溫度（T）隨時(shí)間（t）變化的曲線。在切削開始階段，切削力隨著刀齒切入材料厚度的增加而迅速從0開始增大；當(dāng)?shù)洱X完全切入材料時(shí)，切削力達(dá)到最大值，隨后又逐漸減小，這是由于切削厚度越來越??；當(dāng)?shù)洱X完全切出材料時(shí)，切削力降為0，切削溫度和切削力的變化趨勢(shì)一致。

圖2 切削力和切削溫度隨時(shí)間變化Fig.2 Distribution of cutting force and temperature with time change

由于摩擦熱沿前刀面逐漸增加的緣故，銑削過程中刀具的最高溫度點(diǎn)處于與刀尖一定距離的前刀面處。vc=800m/min、fz=0.04mm/z、ap=0.5mm、ae=6mm條件下刀具前刀面和后刀面的溫度分布見圖3，可以看出，刀具的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在距離刀尖點(diǎn)0.05～0.1mm的前刀面上。

vc=800m/min、fz=0.04mm/z、ap=0.5mm、ae=6mm 條件下，不同切削階段工件、刀具和切屑上的溫度場(chǎng)分布和變化見圖4，可以看出：（1）切削的起始階段，工件和刀具上溫度場(chǎng)分布范圍較窄，隨著切削過程的進(jìn)行，切削熱逐漸由刀尖向刀具內(nèi)部擴(kuò)散，刀具的溫度場(chǎng)范圍逐漸增大，并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。（2）高速加工過程中，切屑溫度明顯高于工件和刀具的溫度，這是由于切屑帶走的熱量遠(yuǎn)多于傳入刀具和工件中的熱量。（3）高速加工過程中，工件基體溫度變化不大，只有已加工表面的一個(gè)薄層溫度變化比較明顯。這是因?yàn)楦咚偾邢鬟^程中，刀具和工件間的相對(duì)速度很大，刀具會(huì)很快離開已加工表面，使得傳入工件的熱量快速對(duì)流散失，工件已加工表面溫度場(chǎng)分布快速趨于穩(wěn)定。因此，針對(duì)鋁合金切削加工，高速切削是一種通過減小工件溫升來抑制工件熱變形進(jìn)而獲取良好加工表面質(zhì)量的方法。

圖3 刀尖點(diǎn)附近溫度分布Fig.3 Temperature distribution near nose of tool

3 銑削參數(shù)對(duì)銑削力和銑削溫度的影響

3.1 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

圖5為銑削參數(shù)對(duì)銑削力和銑削溫度的影響曲線。vc=900m/min、ap=0.5mm、ae=6mm條件下，每齒進(jìn)給量對(duì)銑削力和銑削溫度的影響曲線見圖5（a）。其中，x為刀具進(jìn)給方向，y為切削寬度方向，可以看出，當(dāng)每齒進(jìn)給量小于0.07mm/z時(shí)，x方向切削力小于y方向；隨著每齒進(jìn)給量的增大，x、y方向切削力呈增大趨勢(shì)，且x方向切削力大于y方向。這是由于隨著每齒進(jìn)給量的增加，切削厚度增大，銑削變形抗力、切屑與刀具的摩擦阻力增大，故銑削力增大。fz=0.04mm/z、ap=0.5mm、ae=6mm條件下，銑削速度對(duì)銑削力和銑削溫度的影響曲線見圖5（b），其中，x和y向的切削力隨著切削速度的增大略微減小。這主要是因?yàn)椋阂环矫?，隨著切削速度的提高，剪切區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致材料抗剪強(qiáng)度、摩擦系數(shù)和材料變形系數(shù)減小，進(jìn)而使x和y向的切削力呈減小趨勢(shì)；另一方面，切削速度的提高使剪切角φ增大，導(dǎo)致剪切面積減小，變形減小，x和y向的切削力呈減小趨勢(shì)。同時(shí)，切削速度的提高導(dǎo)致高頻沖擊力逐漸增大，但在本文涉及的仿真切削速度范圍內(nèi)，單位切削面積切削力的減小程度大于高頻沖擊力的增大程度，所以x和y向的切削力呈減小趨勢(shì)。vc=900m/min、fz=0.04mm/z、ap=0.5mm條件下，銑削寬度對(duì)銑削力和溫度的影響曲線見圖5（c）?？梢钥闯?，x、y方向切削力隨著銑削寬度的增大而緩慢增大，這是因?yàn)楫?dāng)銑削寬度小于刀具半徑時(shí)，切削長度隨著銑削寬度的增加而增大，材料去除總體積增大，從而使工件變形產(chǎn)生的銑削變形抗力及切屑與刀具的摩擦阻力增大，故銑削力增大。vc=900m/min、fz=0.04mm/z、ae=6mm條件下，銑削深度對(duì)銑削力和銑削溫度的影響曲線見圖5（d）?？梢钥闯?，隨著銑削深度的增大，x、y方向切削力線性增大，這是因?yàn)殡S著銑削深度的增加，切削刃接觸長度增大，剪切面積增加，因而增大了切削力。

圖4 不同時(shí)刻工件和刀具上的溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution on the tool and workpiece at different time

圖5 銑削參數(shù)對(duì)銑削力和銑削溫度的影響Fig.5 Effect of cutting parameters on cutting force and temperature

3.2 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響

從圖5（a）中可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的增大，切削溫度變化范圍為210～422℃，銑削進(jìn)給量的增加會(huì)使得溫度緩慢上升。這是由于進(jìn)給量的增加會(huì)使得單位時(shí)間金屬切除量增加，切削熱增加，切削溫度升高；但與此同時(shí)切屑的變形系數(shù)隨著進(jìn)給量增加會(huì)減小，單位體積材料去除量的切削功降低；此外隨著進(jìn)給量增大，銑刀與切屑接觸長度增大，增大了切削熱量的傳出面積，切屑帶走更多的熱量，幾個(gè)因素相互影響，使得溫度增加。從圖5（b）中可以看出，切削溫度變化范圍為230～309℃，切削溫度與銑削速度成正相關(guān)性，這是由于隨著銑削速度提高，單位時(shí)間切除的金屬量越多，克服金屬變形與摩擦所需要的功也越大，產(chǎn)生切削熱也越多，故溫度上升。從圖5（c）中可以看出，切削溫度變化范圍為233～319℃，切削溫度隨著銑削寬度的增加而升高。原因在于銑削寬度增加時(shí)，去除的材料體積更大，導(dǎo)致克服切屑變形和摩擦消耗功增加，切削熱增加，進(jìn)而切削溫度增大。從圖5（d）中可以看出，隨著銑削深度的增大切削溫度基本不變。雖然隨著銑削深度的增大，切削熱增大，但是切削刃切觸長度增加，提高了散熱條件，切削的接觸面積增大，散熱程度增大，因此銑削溫度變化不大。

4 結(jié)論

根據(jù)模擬鋁合金7055高速銑削過程中銑削力和銑削溫度的結(jié)果，得到以下結(jié)論：刀具上的最高溫度點(diǎn)位于距離刀尖大約0.05～0.1mm的前刀面上；每齒進(jìn)給量增大，刀具進(jìn)給方向上的銑削力顯著增大；銑削深度增大，銑削力顯著增大；銑削速度和銑削寬度對(duì)銑削力的影響不明顯；銑削溫度隨著每齒進(jìn)給量、銑削速度、銑削寬度的增大而升高，銑削深度對(duì)切削溫度影響不大。

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