5083鋁鎂合金薄壁件整體數(shù)控銑削試驗(yàn)及優(yōu)化

周 珂，賈曉林，張 虎，張 星，孫 華

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

0 引言

近十年來(lái)，鋁鎂合金材料由于其塑性好、強(qiáng)度高、重量輕以及具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性等一系列優(yōu)異的特性被廣泛地應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域中[1-3]。但由于薄壁件剛度差以及鋁鎂合金本身的特性，加工過(guò)程中極易發(fā)生變形，影響加工精度和加工質(zhì)量。切削力是是金屬切削過(guò)程的一個(gè)重要過(guò)程量，它對(duì)研究切削機(jī)理、刀具的切削性能、優(yōu)化切削參數(shù)都有重要指導(dǎo)意義[4-5]。表面粗糙度也是衡量表面質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，所以了解切削力和表面粗糙度的變化規(guī)律以及建立其預(yù)測(cè)模型有利于選擇正確的切削參數(shù)和提高加工精度[6]。

王兆峻等[7-9]針對(duì)薄壁零件加工時(shí)的整體變形進(jìn)行了研究，考慮因素只局限于考慮了毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力，而沒(méi)有考慮切削載荷。王民等[10]綜合考慮了殘余應(yīng)力、切削載荷等因素，研究了薄壁件整體變形情況，認(rèn)為切削加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機(jī)械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)。牛紅亮等[11]利用有限元分析切削力作用下側(cè)壁的彈性變形，但考慮因素僅限于切削力的作用，沒(méi)有考慮殘余應(yīng)力，而且假設(shè)工件只有彈性變形而沒(méi)有塑性變形。

本文針對(duì)5083鋁鎂合金大型整體薄壁件加工過(guò)程中存在的毛坯加工余量大、加工工序多、零件受熱變形大、夾緊變形對(duì)加工精度影響顯著、加工精度難以控制、加工表面質(zhì)量較差等突出問(wèn)題，開(kāi)展數(shù)控銑削加工試驗(yàn)及工藝優(yōu)化研究。

1 銑削試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備、刀具及工件材料

試驗(yàn)在XK650數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，工件材料為5083鋁鎂合金，工件尺寸為400 mm×300 mm×30 mm，刀具為瓦爾特雙刃硬質(zhì)合金刀具，刀具直徑為20 mm.切削力試驗(yàn)采用Kistler三向切削力測(cè)力儀、電荷放大器以及數(shù)據(jù)分析軟件，表面粗糙度采用Mahr公司的Perthometer M1表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，加工后薄板的厚度（厚度的變化體現(xiàn)加工變形大小）通過(guò)PILOT三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)加工后的實(shí)物如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)加工試樣實(shí)物圖

加工后要求腹板的厚度為2 mm，肋板的厚度為1.5 mm，為了便于研究銑削參數(shù)對(duì)肋板的變形影響，將加工的肋板放在工件的側(cè)邊。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)選取切削速度（vc）、進(jìn)給量（f）、切削寬度（ae）、切削深度（ap）這四個(gè)參數(shù)作為研究對(duì)象，各因素及其水平如表1，正交試驗(yàn)安排表如表2所示。

表1 四因素三水平安排表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

2 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

分別選擇銑削力F、肋板的表面粗糙度Ra1、腹板的表面粗糙度Ra2、肋板的厚度H1、腹板的厚度H2為研究對(duì)象，根據(jù)表2進(jìn)行9組不同參數(shù)下的銑削試驗(yàn)，并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。其中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z表示的是三向銑削力的大??；Ra1表示工件肋板側(cè)壁的表面粗糙度；Ra2表示腹板的表面粗糙度；H1表示側(cè)壁厚度；H2表示腹板厚度。分析切削力時(shí)從合力角度分析，合力F由式（1）求出：

2.2 極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，表4所示為極差分析及其結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 極差分析與優(yōu)選

表4中切削力、表面粗糙度、加工變形的極差分析結(jié)果如下：

（1）影響銑削力的主要因素是切削寬度ap，銑削力最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為14 mm，切削寬度ap為1 mm.

（2）每齒進(jìn)給量f是影響肋板側(cè)壁的表面粗糙度Ra1的主要因素，其最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為350 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm；每齒進(jìn)給量f也是腹板的表面粗糙度Ra2的主要影響因素，其最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為2 mm.

（3）切削寬度ap是影響工件肋板側(cè)壁的厚度H1的主要因素，其最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm；切削寬度ap也是影響腹板的厚度H2的主要因素，其最優(yōu)的工藝條件為：切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm.

由于五個(gè)指標(biāo)單獨(dú)分析出來(lái)的最優(yōu)條件并不一致，必須綜合考慮影響因素的主次順序，確定出最優(yōu)的工藝條件。對(duì)于因素A來(lái)說(shuō)，它是所有指標(biāo)的次要因素，而且有三個(gè)因素的優(yōu)水平是A1，但從提高加工效率和勞動(dòng)力上綜合考慮，所以因素A取A3.因素B的優(yōu)水平都是B1，所以因素B取B1.對(duì)于因素C來(lái)說(shuō)，它也是所有指標(biāo)的次要因素，但在實(shí)際加工中，為了提高加工效率，節(jié)省加工時(shí)間和勞動(dòng)力，在保證精度的同時(shí)，切削寬度盡量選比較大的，所以因素C取C1.對(duì)于因素D來(lái)說(shuō)，它是銑削力F和薄板厚度主要因素，而且優(yōu)水平都是D1，所以因素D取D1.

沐浴過(guò)后，紫云穿上那套連衣裙，顯得格外動(dòng)人。她把蔣浩德輕輕扶起，連聲說(shuō)道：“都是我不好，不該把你放在地上?！?/p>

綜上所述，本試驗(yàn)的最優(yōu)條件是A3 B1 C1 D1，即切削速度vc為350 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削深度ap為1 mm.

3 建立各指標(biāo)的回歸方程

本次試驗(yàn)利用Excel中回歸分析的數(shù)據(jù)分析工具，獲得各試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程：

（1）總銑削力：

（2）肋板的表面粗糙度：

（3）腹板的表面粗糙度：

（4）肋板的厚度：

（5）腹板的厚度：

通過(guò)分析，可以發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)指標(biāo)的R2都在0.9以上，精度較高，以上得到的經(jīng)驗(yàn)公式可以用來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)5083鋁鎂合金大型整體薄壁件加工過(guò)程中的切削力、加工表面粗糙度和加工變形。

4 走刀方式的選擇

4.1 走刀策略的選擇

由第3節(jié)分析可知，最優(yōu)的切削參數(shù)組合為切削速度vc為350 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削深度ap為1 mm.利用這組最優(yōu)的參數(shù)組合進(jìn)行對(duì)走刀方式的單因素試驗(yàn)，進(jìn)行四組單因素試驗(yàn)，走刀方式如圖2所示。從左往右依次是單向，跟隨部件，跟隨周邊以及往復(fù)這四種走刀方式，加工出來(lái)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 四種走刀方式

圖3 不同走刀方式的實(shí)物圖

4.2 走刀方式對(duì)表面粗糙度的影響

對(duì)加工后的表面進(jìn)行了表面粗糙度值的測(cè)量，每一個(gè)加工面選取五個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為這個(gè)加工面的表面粗糙度值。經(jīng)過(guò)測(cè)量得到單向走刀的表面粗糙度值為0.613 μm，跟隨部件走刀的表面粗糙度值為0.632 μm，跟隨周邊走刀的表面粗糙度值為0.669 μm，往復(fù)走刀的表面粗糙度值為0.648 μm.由此可見(jiàn)，四種方式的表面粗糙度值相差不大，單向走刀的表面粗糙度值相對(duì)較好，但是從圖3加工效果來(lái)看，單向和往復(fù)走刀方式的并不是很好，側(cè)壁的余量過(guò)多，達(dá)不到加工要求，所以初步選擇跟隨部件或者跟隨周邊的走刀方式，從加工時(shí)間上考慮，平均加工每個(gè)槽的時(shí)間跟隨部件比跟隨周邊要多一分十二秒，實(shí)際整體薄壁零件總共要加工600個(gè)左右的槽，節(jié)省到的時(shí)間可想而知。所以綜上所述，走刀方式應(yīng)該選擇跟隨周邊。

5 整體5083鋁鎂合金薄壁結(jié)構(gòu)件ANSYS數(shù)值模擬仿真分析

上述研究工作是對(duì)整體5083鋁鎂合金的局部進(jìn)行了銑削試驗(yàn)研究，下面通過(guò)有限元仿真獲得整體結(jié)構(gòu)件銑削時(shí)變形情況。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，采用多元非線性回歸分析獲得5083鋁鎂合金三個(gè)方向的分銑削力Fc、Fp、Ff的回歸方程（即經(jīng)驗(yàn)公式）為：

（1）軸向切深對(duì)鋁鎂合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的影響。保持徑向切寬ae=3 mm、每齒進(jìn)給量f=0.1 mm/z、切削速度vc=150 m/min不變，對(duì)比研究軸向切深ap分別為0.5 mm、1 mm、2 mm時(shí)的加工變形情況。根據(jù)式（2）～（4），計(jì)算出三個(gè)方向的銑削力并在ANSYS workbench中將它們加載到整體結(jié)構(gòu)件之上，對(duì)應(yīng)的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力如圖4所示?？傮w形變、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表5.

圖45083 鋁鎂合金薄壁筒件整體變形仿真

表5 不同軸向切深下仿真結(jié)果

（2）每齒進(jìn)給量對(duì)鋁鎂合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的影響。保持軸向切深ap=1 mm、徑向切寬ae=3 mm、切削速度vc=150 m/min不變，對(duì)比研究每齒進(jìn)給量f分別為0.1、0.2、0.3 mm/z時(shí)的加工變形情況。采用上述同樣的方法和步驟，仿真獲得總體形變、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表6.

表6 不同進(jìn)給量下仿真結(jié)果

（3）徑向切寬對(duì)鋁鎂合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的影響。保持每齒進(jìn)給量f=0.1 mm/z、軸向切深ap=1 mm、切削速度vc=150 m/min不變，對(duì)比研究徑向切寬ae分別為1、2、3 mm時(shí)的加工變形情況。采用上述同樣的方法和步驟，仿真獲得總體形變、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表7.

表7 不同徑向切寬下仿真結(jié)果

從表5-表7可以看出隨著軸向切深、每齒進(jìn)給量或徑向切寬的增加，最大總體變形、最大等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都相應(yīng)增加，這說(shuō)明在銑削過(guò)程中，軸向切深、徑向切寬和進(jìn)給量對(duì)加工變形都有顯著影響。因此，在進(jìn)行加工變形控制時(shí)，要著重考慮這些參數(shù)帶來(lái)的影響。

由圖4可以看出，薄壁零件的總體變形最大值出現(xiàn)在壁上的圓孔附近，且附近的數(shù)值變化幅度較大，最小值出現(xiàn)在底部；最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在薄壁零件的下半部分，最小等效應(yīng)變出現(xiàn)在上部圓孔附近；最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在薄壁零件的下半部分，最小值出現(xiàn)在壁上的圓孔附近。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)5083鋁鎂合金大型整體薄壁件數(shù)控銑削加工，正交試驗(yàn)及極差分析表明銑削力和加工變形的主要影響因素是切削深度，肋板和腹板的表面粗糙度的主要影響因素為每齒進(jìn)給量，最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為：切削速度350 m/min，每齒進(jìn)給量0.05 mm/z，切削寬度10 mm，切削深度1 mm.

（2）單因素對(duì)比試驗(yàn)表明，在單向、跟隨部件、跟隨周邊以及往復(fù)這四種走刀策略中，最佳的走刀方式為跟隨周邊銑削方式。

（3）通過(guò)正交試驗(yàn)和多元回歸分析，建立了銑削力、表面粗糙度和加工變形的經(jīng)驗(yàn)公式，各經(jīng)驗(yàn)公式的回歸精度都在0.9以上，精度較高，可以用來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

（4）ANSYS數(shù)值模擬仿真表明，軸向切深、每齒進(jìn)給量或徑向切寬的增加，最大總體變形、最大等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都相應(yīng)增加；薄壁零件的總體變形最大值出現(xiàn)在薄壁上的圓孔附近，最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在薄壁零件的下半部分。