航空鋁合金薄壁零件高速加工銑削力

王凌云，黃紅輝，謝志江

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航空鋁合金薄壁零件高速加工銑削力

王凌云1，黃紅輝1，謝志江2

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海，200437；2. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶，400044)

探討銑削力三維有限元計(jì)算方法，研究航空薄壁零件高速加工切削力變化規(guī)律。基于AdvantEdge 3D銑削模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)AL7075航空鋁合金材料的銑削過(guò)程仿真加工并研究銑削力規(guī)律。預(yù)測(cè)不同切削時(shí)間下工件及刀具上的溫度分布，建立高速銑削參數(shù)對(duì)鋁合金 7075 銑削力和銑削溫度的影響曲線。通過(guò)實(shí)際銑削試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果表明：在銑削速度為250~1 500 m/min，切削速度大于 250 m/min時(shí)，切削力隨切削速度增加而快速下降；當(dāng)切削速度大于 500 m/min時(shí)，切削力變化不大，呈微量上升趨勢(shì)；軸向力F在整個(gè)速度范圍內(nèi)變化不大；高速銑削參數(shù)對(duì)鋁合金 7075 銑削力和銑削溫度的影響曲線可輔助優(yōu)化切削加工參數(shù)，有助于減小切削過(guò)程中刀具的磨損，改善刀具切削狀態(tài)，提高刀具使用壽命，為預(yù)測(cè)其他材料的銑削力提供了新的有限元建模方法。

航空零件；高速加工；銑削力

航空航天鋁合金薄壁框架類零件在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生彎曲、翹曲等加工變形且難以控制。切削力是引起加工變形的重要原因，減小切削力可以有效減小此類構(gòu)件的加工變形，因此，開展有關(guān)切削力預(yù)測(cè)的研究對(duì)于提高薄壁框架類工件的加工精度、質(zhì)量穩(wěn)定性和加工效率具有重要意義。WEINERT等[1]將有限元方法用于鋁合金結(jié)構(gòu)加工過(guò)程的計(jì)算分析和薄壁件周銑過(guò)程中靜態(tài)誤差的預(yù)測(cè)；LI等[2]建立了端銑仿真模型；ZAGHBANI等[3]研究了鋁合金高速干銑過(guò)程的力?溫度模型以及相關(guān)的本構(gòu)模型；GUO等[4]建立了用于預(yù)測(cè)航空鋁合金薄壁件銑削變形的有限元模型。但在仿真過(guò)程中，有限元模型的網(wǎng)格無(wú)法進(jìn)行自適應(yīng)細(xì)化，因此，為獲得高精度的仿真結(jié)果，必須將網(wǎng)格細(xì)分，這導(dǎo)致在進(jìn)行大尺寸薄壁件的銑削仿真時(shí)計(jì)算成本較高。利用基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元分析軟件AdvantEdge3D對(duì)金屬成型過(guò)程中的材料塑性變形、刀具磨損、應(yīng)力應(yīng)變、切削力、切削溫度變化等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，為成型加工和機(jī)械加工提供了有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，為優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇提供了參考。針對(duì)7075航空鋁合金高速銑削加工進(jìn)行工藝方案設(shè)置，本文作者對(duì)AdvantEdge3D銑削力仿真結(jié)果進(jìn)行研究，獲得單個(gè)刀齒高速加工中銑削力變化曲線，預(yù)測(cè)不同切削時(shí)間順序下工件及刀具上的溫度分布，獲得刀具前刀面和后刀面的溫度分布曲線；建立高速銑削參數(shù)對(duì)鋁合金Al 7075 銑削力和銑削溫度的影響曲線，可輔助優(yōu)化切削加工參數(shù)，有助于減小切削過(guò)程中刀具的磨損，改善刀具切削狀態(tài)，提高刀具使用壽命。

1 材料模型

1.1 航空零件

從結(jié)構(gòu)上看，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件壁薄，加工余量大，相對(duì)剛度較低。為了減小飛機(jī)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，進(jìn)行等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，往往在結(jié)構(gòu)件上形成各種復(fù)雜槽腔、筋、凸臺(tái)和減輕孔等。整體結(jié)構(gòu)件尺寸更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜壁薄，易變形，零件槽間最小距離僅為 8 mm，腹板厚度也只有 2~4 mm。筋頂形狀復(fù)雜，切削時(shí)很容易產(chǎn)生變形。

1.2 Al 7075的Johnson?Cook本構(gòu)模型

材料本構(gòu)模型用于描述材料的力學(xué)性質(zhì)，表征材料變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在材料微觀組織結(jié)構(gòu)一定時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力受到變形程度、變形速度及變形溫度等因素的影響非常顯著，這些因素的任何變化都會(huì)引起流動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生較大變動(dòng)，因此，材料本構(gòu)模型一般表示為流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等變形參數(shù)之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。在以塑性有限元為代表的現(xiàn)代塑性加工力學(xué)中，材料的流動(dòng)應(yīng)力作為輸入時(shí)的重要參數(shù)，其精確度也是提高理論分析可靠度的關(guān)鍵。建立材料本構(gòu)模型是切削加工數(shù)值模擬的必要前提，只有建立了大變形情況下隨應(yīng)變率和溫度變化的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，才能夠準(zhǔn)確地描述材料在切削加工過(guò)程中的塑性變形規(guī)律，繼而在確定的邊界條件和切削載荷下預(yù)測(cè)零件的變形及趨勢(shì)。

在切削過(guò)程中，工件在高溫、大應(yīng)變下發(fā)生彈塑性變形，被切削材料在刀具作用下變成切屑的時(shí)間很短，而且被切削層中各處的應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度并不均勻分布，且梯度變化很大。采用Johnson?Cook模型描述材料高應(yīng)變速率下的熱粘塑性變形行為，該模型認(rèn)為材料在高應(yīng)變速率下表現(xiàn)為應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化和熱軟化效應(yīng)。Johnson?Cook模型如下[5?8]：

式中：右邊第1個(gè)括號(hào)中表達(dá)式反映材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，第2個(gè)括號(hào)中表達(dá)式反映流動(dòng)應(yīng)力隨對(duì)數(shù)應(yīng)變速率增加的關(guān)系，第3個(gè)括號(hào)中表達(dá)式反映流動(dòng)應(yīng)力隨溫度升高呈指數(shù)降低的關(guān)系；和r分別為參考應(yīng)變速率和參考溫度；m為材料熔點(diǎn)；，和為材料應(yīng)變強(qiáng)化項(xiàng)系數(shù)；為材料應(yīng)變速率強(qiáng)化項(xiàng)系數(shù)；為材料熱軟化系數(shù)。，，，和見表1。

表1 Al 7075 Johnson?Cook 模型材料參數(shù)

1.3 材料失效準(zhǔn)則

采用剪切失效模型實(shí)現(xiàn)切屑從工件分離。剪切失效模型是基于等效塑性應(yīng)變?cè)诜e分點(diǎn)的值，當(dāng)損傷參數(shù)達(dá)到1時(shí)，單元即失效。失效參數(shù)定義如下：

式中：1~5為低于轉(zhuǎn)變溫度的條件下測(cè)得的實(shí)效常數(shù)；為參考應(yīng)變率；為塑性應(yīng)變率；為當(dāng)前溫度；為熔點(diǎn)；為室溫。

2 銑削方案

2.1 刀具選擇

工件材料為航空鋁合金材料(Al 7075)，刀具材料為硬質(zhì)合金(YG類)涂層，其力學(xué)性能如表2所示。

在試驗(yàn)時(shí)選擇直徑為8 mm的圓柱形立銑刀，切削刃為2刃，幾何角度的選擇參考文獻(xiàn)[9]中鋁合金高速銑削立銑刀角度推薦范圍。設(shè)置刀具角度如下：前角=9°；后角=15°；刃傾角(即螺旋角)=30°[9?10]。

表2 刀具材料力學(xué)性能參數(shù)

2.2 銑削用量確定

鋁合金由于其固有材料特性，導(dǎo)致刀具在切削過(guò)程中常發(fā)生材料粘接等情況，影響工件加工表面質(zhì)量和刀具壽命，所以，在實(shí)際加工中常采用高速切削。硬質(zhì)合金立銑刀高速銑削鋁合金的銑削用量參考值如表3所示。結(jié)合機(jī)械加工工藝手冊(cè)中鋁合金高速銑削用量推薦范圍[11?12]，選擇試驗(yàn)切削用量方案: 銑削速度為125，251，503和1 005 m/min；銑削深度為1 mm；每齒進(jìn)給量為0.1 mm。

表3 切削用量參考值

注：為刀具直徑。

3 銑削有限元仿真

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

采用標(biāo)準(zhǔn)建模方式與自定義功能建立工件模型，得到工件和刀具模型如圖1所示。為了獲得有效的模擬效果，必須精密劃分網(wǎng)格?？紤]到刀具和工件之間的接觸和分離關(guān)系較復(fù)雜，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元和自適應(yīng)相關(guān)性網(wǎng)格劃分技術(shù)來(lái)劃分工件和刀具網(wǎng)格，劃分后刀具和工件的網(wǎng)格效果如圖2所示(某些局部用高密度網(wǎng)格標(biāo)示)，其中，工件和刀具模型的控制最小網(wǎng)格尺寸分別為0.05 mm和0.04 mm[13?15]。

圖1 銑削有限元模型

3.2 參數(shù)設(shè)置及求解

在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，工件固定，刀具作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。設(shè)置仿真初始環(huán)境溫度為20 ℃，傳熱系數(shù)為0.02，摩擦因數(shù)為0.6，熱傳導(dǎo)系數(shù)為45 m2·s·K。刀具幾何角度按照所確定的角度選擇，銑削用量(，，p和c)按照表3中參數(shù)及分組情況進(jìn)行設(shè)置。最后在AdvantEdge3D下核對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定參數(shù)無(wú)誤后即可生成對(duì)應(yīng)的.DB文件，并在模擬器中分組進(jìn)行仿真 分析。

3.3 仿真結(jié)果及分析

3.3.1 切削力變化曲線

在AdvantEdge3D中計(jì)算完成后，進(jìn)入通用后處理器進(jìn)行仿真處理，分別得到不同銑削用量條件下(進(jìn)給抗力)、(主切削力)和(切深抗力)這3個(gè)方向切削力的變化情況如圖2所示。從圖2可見：隨著刀具切入，圓弧刃上靠近直線刃的部分首先與工件接觸，此時(shí)切削力主要在向正方向上；在刀齒逐漸切入工件過(guò)程中，三向切削力逐漸增大，直到圓弧刃首先切出工件時(shí)切削力達(dá)到最大值，之后各項(xiàng)切削力逐漸減??；三向切削力的最大值出現(xiàn)在同一時(shí)刻，測(cè)得，和向的最大切削力分別為?138，?185和66 N。

1—X方向銑削力FX；2—Y方向銑削力FY；3—Z方向銑削力FZ。

對(duì)銑削試驗(yàn)AdvantEdge 3D軟件仿真獲得的銑削力峰值進(jìn)行整理，得到如表4所示的銑削力和圖3所示銑削力與切削速度的關(guān)系曲線。由圖3可知：當(dāng)切削速度大于 250 m/min時(shí), 切削力隨切削速度增大而快速下降；當(dāng)切削速度大于 500 m/min時(shí), 切削力變化不大，有微量上升趨勢(shì)；軸向力F在整個(gè)速度范圍內(nèi)變化不大。

表4 銑削力計(jì)算結(jié)果

3.3.2 刀具應(yīng)力場(chǎng)

刀具應(yīng)力分布如圖4所示。從圖4可知：在切削過(guò)程中刀具為彈性變形，刀具上的應(yīng)力集中在切削刃附近的前刀面和后刀面上，這是由于切削刃與工件接觸直接受到切削力的作用。圖4所示為某一時(shí)刻切削刃上的應(yīng)力分布圖，經(jīng)測(cè)量此時(shí)刻的最大應(yīng)力為1 GPa。

1—X方向銑削力FX；2—Y方向銑削力FY；3—Z方向銑削力FZ。

圖4 刀齒應(yīng)力分布

3.3.3 熱力耦合溫度場(chǎng)

圖5所示為切削區(qū)工件和切屑的溫度場(chǎng)云圖和等溫線圖。從圖5可以看出：與刀具前刀面接觸區(qū)的切屑溫度較高，局部區(qū)域?yàn)?89℃，主要是由前刀面與工件間摩擦產(chǎn)生的熱。因?yàn)殇X合金7075材料具有較好的導(dǎo)熱性，在切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大部分被切屑帶走，因此，已加工表面的溫度場(chǎng)雖分布不均勻，瞬間的溫度主要集中在274℃左右，這與切削溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。溫度分布主要在前后刀面與工件接觸的區(qū)域：前刀面一切屑接觸區(qū)，后刀面與己加工表面接觸區(qū)，證明切削過(guò)程中的刀一屑、刀一工件間的高速摩擦是造成切削溫度升高的主要原因之一。對(duì)于7075塑性大的材料，塑性變形功相對(duì)摩擦熱是主要影響因素。

圖5 溫度分布

4 銑削試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)時(shí)，選擇直徑為8 mm、螺旋角為30°的YG類2齒硬質(zhì)合金立銑刀，工件的長(zhǎng)、寬、高分別為150，75和30 mm的Al 7075鋁合金毛坯，機(jī)床為MAKINO高速立式加工中心V33。采用牧野(日本)的高速主軸，轉(zhuǎn)速為4.0×104r/min，快移速度為 20 m/min。采用瑞士Kistler 9257B型三向多功能測(cè)力儀、5070型多通道電荷放大器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x采集實(shí)際加工過(guò)程中不同切削參數(shù)條件下切削力的變化情況，并通過(guò)Kistler 分析軟件對(duì)銑削力進(jìn)行整理，得到(進(jìn)給抗力)、(主切削力)、(切深抗力) 3個(gè)方向銑削力并計(jì)算銑削合力。銑削試驗(yàn)測(cè)得銑削力峰值與仿真獲得的銑削力峰值對(duì)比結(jié)果見表5。

表5 切削力模擬值與實(shí)測(cè)值比較

從表5可以看出：切削速度為503 m/min時(shí)的銑削力相對(duì)誤差較大，這是因?yàn)榍邢髟囼?yàn)時(shí)工件進(jìn)給導(dǎo)致工作臺(tái)振動(dòng)，從而引起進(jìn)給方向測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；其他銑削力的相對(duì)誤差較小(在7.3％及以下)，且試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果都比仿真結(jié)果小，這是實(shí)際切削條件與仿真環(huán)境的差異所致。就切削力整體分布而言，仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較吻合，且通過(guò)合理修改仿真參數(shù)可以進(jìn)一步減小仿真誤差。這表明利用AdvantEdge 3D進(jìn)行銑削仿真試驗(yàn)得到的切削力比較準(zhǔn)確，切削過(guò)程仿真可靠，完全能夠部分地代替實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)論

1)銑削力是導(dǎo)致工件加工變形、刀具損耗的主要因素，運(yùn)用軟件模擬仿真是預(yù)測(cè)切削力的重要途徑。利用AdvantEdge 3D軟件可對(duì)7075鋁合金材料進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)研究，探索銑削力仿真預(yù)測(cè)方法。通過(guò)實(shí)際切削試驗(yàn)獲得切削力，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為預(yù)測(cè)其他材料的銑削力提供了新的建模仿真方法。通過(guò)有限元仿真可以快捷、有效地研究不同切削參數(shù)下加工材料的銑削力變化規(guī)律，將仿真獲得的不同切削參數(shù)下的銑削力進(jìn)行比較、分析，可以優(yōu)化切削參數(shù)，提高加工效率和加工質(zhì)量。

2)隨著刀具切入，圓弧刃上靠近直線刃的部分首先與工件接觸，此時(shí)，切削力主要在向正方向上。在刀齒逐漸切入工件的過(guò)程中，三向切削力逐漸增大，直到圓弧刃首先切出工件時(shí)切削力達(dá)到最大值，之后各項(xiàng)切削力逐漸減小。

3) 對(duì)于銑削速度為250~1 500 m/min時(shí)的銑削7075鋁合金材料，當(dāng)切削速度大于 250 m/min時(shí), 切削力隨切削速度增大而快速下降；當(dāng)切削速度大于 500 m/min時(shí), 切削力變化不大，呈微量上升趨勢(shì)，軸向力F在整個(gè)速度范圍內(nèi)變化不大。因此，在選擇加工工藝參數(shù)時(shí)，為保證切削效率和系統(tǒng)剛性，可以優(yōu)先選取較高的切削速度。

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(編輯 陳燦華)

Milling force of aerospace aluminum alloy thin-wall parts in high-speed machining

WANG Lingyun1, HUANG Honghui1, XIAN Zhijiang2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200437, China;2. School of Mechanical Engineering, University of Chongqing, Chongqing 400044, China)

The milling force three-dimension finite element method was discussed. The cutting force variation pattern of the thin-walled aerospace components in high-speed machining was studied. The milling simulation processing of Al 7075 aerospace aluminum alloy was realized and the law of milling force was researched based on the AdvantagEdge 3D milling module. The temperature distribution of the workpiece and the tool at different cutting time sequences were predicted. Graphs of the milling force and milling temperature of the aluminum 7075 affected by the high-speed milling parameters were established. Reliability of the simulation was verified by actual test milling. The results show that when cutting velocitycis 250?1 500 m/min and the cutting speed is greater than 250 m/min, the cutting force decreases rapidly with the increase of the cutting speed. When the cutting speed is greater than 500 m/min, the cutting force changes little with a little increase. The axial forceFchanges little over the entire speed range. The temperature distribution of the workpiece and the tool at different cutting time sequences can assist to optimize machining parameters, reduce cutting process tool wear and improve the tool cutting state, and improve tool life, which provides a new method of finite element modeling to predict the milling forces of other materials.

aviation parts; high speed machining; milling force

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.010

TH161+.1

A

1672?7207(2017)07?1756?06

2016?08?29；

2016?10?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1530138)；上海市教委自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(gjd-07050) (Project(U1530138) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(12ZT14) supported by the Natural Science Foundation of Shanghai Municipal Education Commission)

王凌云，教授，從事數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、先進(jìn)制造技術(shù)、CAD/CAM等研究；E-mail: wanglyun16@sina.com