高速列車車體鋁合金高筋立銑加工銑削力實驗

韓振軍，王忠平，杜 廣，王泰吉

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 引言

目前，我國的高速、輕型和地鐵列車車體大部分由鋁合金型材[1-3]構(gòu)成，車體的側(cè)墻、車頂和底板等大部件的多余立筋等結(jié)構(gòu)都需要通過銑削加工進(jìn)行去除。由于鋁合金型材壁薄、中空和長跨距等結(jié)構(gòu)特性，在加工過程中常常出現(xiàn)變形和顫振等問題。近年來，學(xué)者們認(rèn)為銑削力是影響鋁合金型材加工質(zhì)量的主要因素[4-6]，并通過立銑刀高速加工鋁合金銑削力試驗研究，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)改變銑削方向能有效地避免刀具對工件的猛然撞擊[7-9]。針對高速列車車體常用的薄壁鋁合金的立銑加工過程，在分析和研究銑削參數(shù)與銑削力之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，對薄壁壁板瞬時銑削力計算模型進(jìn)行研究，結(jié)合實驗驗證結(jié)果分析銑削參數(shù)對各切削分力的影響規(guī)律。

2 銑削力模型

為描述鋁合金型材立筋銑削過程產(chǎn)生的銑削力，根據(jù)高速切削原理建立立筋銑削加工銑削力模型，如圖1所示。圖中：n—主軸轉(zhuǎn)數(shù)；ap—切削深度；f—進(jìn)給量；δ—立筋厚度；H—立筋高度；R—刀具半徑；FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z—銑刀沿X、Y 和Z 三個方向的切削力。

圖1 鋁合金型材立筋銑削加工模型Fig.1 Vertical Stud Milling Force Model of Aluminum Alloy Profile

刀具銑削加工過程中，設(shè)剪切區(qū)刀刃任意微元與工件作用的dFn，dFr，dFf分別為法向切削力、徑向切削力和切向摩擦力，θ為刃傾角，ac為切削厚度，則 dFX，dFY，dFZ與 dFn，dFr，dFf之間的轉(zhuǎn)換矩陣：

式中：φ—微元法向與X軸夾角。若微元法向切削合力為：

式中：C—實驗常數(shù)；σ—切削應(yīng)力。

根據(jù)切削原理有幾何關(guān)系：

則X、Y和Z三個方向的切削分力dFx，dFy和dFz表示為：

通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，在薄板很小的條件下各銑削分力大小和銑削深度關(guān)系不大。通過積分運(yùn)算就可以得到銑削過程中的切削分力，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到關(guān)于轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給量的銑削力算式：

不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量條件下的數(shù)值分析計算結(jié)果，如圖2所示。隨著進(jìn)給量減小和轉(zhuǎn)速提高各切削分力均有所降低，切削分力Fx大于另外兩個比較接近的切削分力Fy與Fz。

圖2 不同銑削條件下銑削力理論結(jié)果Fig．2 Theoretical Results of Milling Force Under Different Conditions

3 銑削力實驗

為方便研究銑削參數(shù)對各切削分力的影響，搭建了立筋銑削力實驗平臺，如圖3所示。銑削數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由高頻壓電式測力儀、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)分析計算機(jī)組成。在實驗過程中，刀具用φ30硬質(zhì)合金立銑刀，實驗材料為車體常用的鋁合金，立筋厚度為 7mm，切削參數(shù)范圍：主軸轉(zhuǎn)速 n=（7000～8000）r/min，進(jìn)給量 f=（600～1000）mm/min，吃刀深度 ap=（20～30）mm。

圖3 立銑加工銑削力實驗系統(tǒng)Fig．3 Experimental System of Vertical Stud Milling Force

4 結(jié)果與討論

銑削力實驗的數(shù)據(jù)整理結(jié)果進(jìn)行整理，每個進(jìn)給量都對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，每個吃刀深度都對應(yīng)不同的進(jìn)給量，因此，每次實驗都會產(chǎn)生Fx，F(xiàn)y和Fz三個方向的切削力。通過實驗獲得的不同切削條件下立銑加工銑削力波動圖，如圖4所示。不同切削速度條件下的銑削力波動對比情況，如圖4（a）、圖4（b）所示。切削速度的提高會使三個方向的銑削力波動范圍有所降低；不同進(jìn)給量條件下的銑削力波動對比情況，如圖4（a）、圖4（c）所示。進(jìn)給量的提高會使三個方向的銑削力波動范圍明顯增大；不同銑削深度條件下的銑削力波動對比情況，如圖4（b）、圖4（d）所示。銑削深度的減小對銑削力波動范圍的影響不明顯，但會影響立筋的振動情況。

由于切削力在整個實驗過程中呈波動狀態(tài)，提取平均值作為每次試驗的切削力。將切削力按照不同的轉(zhuǎn)速和吃刀深度整理成進(jìn)給量為橫軸、切削力為縱軸的切削力變化圖，如圖5所示。由圖5（a）與圖 5（b）和圖 5（c）與圖 5（d）的對比可見，主軸轉(zhuǎn)速對銑削分力Fx的影響較明顯，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，銑削分力Fx變化范圍隨之減小，主軸轉(zhuǎn)速提高至8000r/min時，銑削分力Fx隨進(jìn)給量變化的明顯程度降低。銑削分力Fy與Fz的變化趨勢在這兩種主軸轉(zhuǎn)速條件下增加的程度不明顯，基本趨于平緩。實驗說明銑削分力Fx隨主軸轉(zhuǎn)速提高而降低，主軸轉(zhuǎn)速在8000r/min的條件下對銑削力的增加程度不明顯。由圖5可見，進(jìn)給量對銑削分力Fx的影響較明顯，隨著進(jìn)給量的提高，銑削分力Fx逐漸增大，主軸轉(zhuǎn)速提高至8000r/min時，銑削分力Fx隨進(jìn)給量變化的明顯程度降低。銑削分力Fy與Fz在這兩種主軸轉(zhuǎn)速條件下，隨進(jìn)給量增加程度不明顯。實驗說明進(jìn)給量是使切削分力Fx增加的因素之一，而對切削分力Fy和Fz的影響程度不明顯。由圖 5（a）與圖 5（c）和圖 5（b）與圖 5（d）對比可見，吃刀深度的增大使切削分力Fx和Fy的增加程度有所提高，對銑削分力Fz的影響較弱。由于刀具幾何的影響，吃刀深度的增加對銑削分力Fz的影響最不明顯。由于受到刀具底部圓角效應(yīng)的影響，理論計算結(jié)果的切削分力Fy與Fz均與實驗結(jié)果有所偏差，而切削分力Fx與實驗結(jié)果比較接近，驗證了理論模型的可行性。

5 結(jié)論

針對車體常用鋁合金高筋立銑加工過程，進(jìn)行了銑削力建模和銑削力實驗，獲得了不同銑削條件下銑削力的波動情況，并根據(jù)實驗結(jié)果探討了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和吃刀深度對銑削力的影響。結(jié)果表明：銑削速度的增大和進(jìn)給量的減小會使銑削力的波動程度有所降低，而銑削深度對銑削力的波動范圍影響不明顯，但會影響銑削力的波動情況。進(jìn)給量和吃刀深度是影響銑削力增加的主要因素，主軸轉(zhuǎn)速的提高會一定程度地減小銑削力，從而降低銑削力受進(jìn)給量和吃刀深度的影響程度。吃刀深度對銑削分力Fx和Fy的影響較明顯，進(jìn)給量對銑削分力Fx的影響較明顯，銑削分力Fz在整個實驗過程中的無明顯變化。由于受到刀具底部圓角的影響，切削分力Fy和Fz的計算結(jié)果與實際存在一定差異，切削分力Fx與實驗結(jié)果吻合較好，對銑削參數(shù)控制車體薄壁壁板類零件的加工變形研究奠定了基礎(chǔ)。

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