高速切削鋁合金2024-T4切削力的仿真研究

張繼林 易湘斌 竇建明 郭文靜

（蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050）

1 研究背景

切削加工過(guò)程中切削力是最重要的因素，直接影響切削熱、切削功率以及刀具的磨損和零件的加工變形等[1]。2024鋁合金是一種高強(qiáng)度合金，由于力學(xué)性能良好和密度低等優(yōu)點(diǎn)，大量用于航空航天中。通過(guò)固溶處理加自然時(shí)效得到的鋁合金2024-T4，其性能更加突出。許多學(xué)者對(duì)鋁合金切削加工進(jìn)行了不同研究，如張蓉蓉等[2]基于Deform-3D對(duì)鋁合金7075研究了切削力與切削參數(shù)之間的關(guān)系；常艷艷等[3]基于AdvantEdge對(duì)鋁合金2024進(jìn)行精密車(chē)削殘余應(yīng)力的仿真，得到切削深度和切削速度與殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；舒平生[4]基于Abaqus對(duì)A357鋁合金正交切削加工仿真與實(shí)驗(yàn)研究，得到仿真數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)實(shí)際加工。

本文以切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量三個(gè)因素為自變量，利用有限元軟件AdvantEdge對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削2024-T4鋁合金的加工過(guò)程進(jìn)行仿真，通過(guò)多因素正交試驗(yàn)，掌握自變量與切削力的影響規(guī)律，并采用極差和方差分析，得到最優(yōu)組合和影響因素的顯著性。

2 仿真試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用2024-T4鋁合金，是航空鋁合金材料2024系列的代表，T4是固溶處理加自然時(shí)效。表1為2024-T鋁合金化學(xué)成分。

2.2 試驗(yàn)刀具

綜合考慮生產(chǎn)成本、加工效率、切削力和加工質(zhì)量等因素，刀具材料為硬質(zhì)合金（YG），其性能如表2所示。刀具幾何角度為：前角γ0=0°，后角α0=6°，刃傾角λs=0，刀尖圓弧半徑為0.4mm，切削刃鈍圓半徑r=0.04mm。

表1 2024-T4鋁合金化學(xué)成分（wt%）

表2 YG類(lèi)刀具材料的性能

2.3 試驗(yàn)方案

本文利用有限元軟件AdvantEdge計(jì)算切削參數(shù)，即切削速度uc、進(jìn)給量f、和背吃刀量ap，摩擦系數(shù)μ=0.33。高速切削加工鋁合金能夠提高表面加工質(zhì)量和加工效率，目前高速車(chē)削的速度在400～7000m/min。正交試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究和處理多因素試驗(yàn)的高效方法，具有找到最好的組合和減少試驗(yàn)次數(shù)的特點(diǎn)。本文正交試驗(yàn)的三個(gè)因素是切削速度uc、進(jìn)給量f、和背吃刀量ap，每個(gè)因素確定四個(gè)水平，根據(jù)L16(45)的正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)，其因素水平如表3所示，仿真試驗(yàn)方案如表4所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

在AdvantEdge-2D中，兩個(gè)方向的切削力分別Fx和Fy。切削過(guò)程中，各切削力隨時(shí)間的變化規(guī)律是：刀具切入和切出變化較大，在中間時(shí)間段處于一定范圍內(nèi)波動(dòng)，取穩(wěn)態(tài)時(shí)的切削力作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終切削力如表4所示，空白列是方差分析的誤差來(lái)源。

3.2 仿真極差分析

利用極差分析和方差分析分別得到最優(yōu)組合和切削因素的顯著性，進(jìn)而得到切削參數(shù)與切削力的規(guī)律，為實(shí)際加工提供依據(jù)。

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)

極差分析（又稱(chēng)直觀分析法）是通過(guò)對(duì)每個(gè)因素的評(píng)價(jià)極差來(lái)分析問(wèn)題，可以找到影響指標(biāo)的主要因素。對(duì)于切削加工，切削力是指標(biāo)，切削力越小對(duì)交工越有利，切削參數(shù)是因素。將仿真數(shù)據(jù)Fx和Fy進(jìn)行極差分析如表5所示。

表5 切削力Fx和Fy的極差分析表

由表5可知，切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量對(duì)切削力Fx影響程度依次增大，最優(yōu)組合是A4B1C1；切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量對(duì)Fy切削力影響程度依次增大，最優(yōu)組合是A4B1C1。將極差分析的結(jié)果畫(huà)成折線(xiàn)圖，可以更清楚地觀察切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，如圖1（a）（b）（c）所示。

圖1 （a）切削速度對(duì)切削力的影響

圖1 （b）進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

圖1 （c）背吃刀量對(duì)切削力的影響

從圖1（a）可知，隨著切削速度的提高，F(xiàn)x和Fy都在減小，速度從800m/min增加到1250m/min時(shí)，F(xiàn)x和Fy分別是原來(lái)的0.75倍和0.82倍，減少的幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)榍邢魉俣忍岣邥r(shí)，切削溫度增加，材料強(qiáng)度降低，同時(shí)變形系數(shù)的摩擦系數(shù)降低，從而切削力下降。

從圖1（b）可知，隨著進(jìn)給量增大，F(xiàn)x和Fy都在增加，速度從0.09mm/r增加到0.18mm/r時(shí)，F(xiàn)x和Fy分別是原來(lái)的1.86倍和1.28倍，增加的幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)檫M(jìn)給量增加時(shí)，切削面積增加，但變形系數(shù)的摩擦系數(shù)降低，從而進(jìn)給量對(duì)切削力的影響程度低于背吃刀量。

從圖1（c）可知，隨著背吃刀量的增大，F(xiàn)x和Fy都在增加，速度從0.2mm增加到2mm時(shí)，F(xiàn)x和Fy分別是原來(lái)的9.9倍和9.5倍，增加幅度相對(duì)較大。這是因?yàn)楸吵缘读吭黾訒r(shí)，切削面積和切削寬度增加，切削力迅速變大。

3.3 仿真方差分析

方差分析是用于兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。通過(guò)方差分析可以得到切削參數(shù)對(duì)切削力的顯著性影響，在數(shù)據(jù)分析軟件Minitab中對(duì)仿真數(shù)據(jù)Fx和Fy進(jìn)行方差分析，如表6所示。

由表6可知，背吃刀量和進(jìn)給量對(duì)Fx的影響分別是高度顯著(P＆lt;α=0.05)和顯著，而切削速度對(duì)Fx的影響不顯著；切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量對(duì)Fy的影響顯著程度依次增加。

表6 切削力Fx和Fy方差分析表

4 結(jié)論

以切削力為目標(biāo)，以切削參數(shù)為自變量參數(shù)，采用正交試驗(yàn)方案，利用AdvantEdge有限元軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，研究了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。采用極差分析得到在給定切削條件下獲得較小Fx和Fy最優(yōu)切削參數(shù)都是uc=1250m/min，f=0.09mm/r，ap=0.2mm；采用方差分析得到背吃刀量和進(jìn)給量對(duì)Fx的影響顯著，切削速度對(duì)Fx的影響不顯著，切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量對(duì)Fy的影響顯著。