鋁合金5A06高速銑削加工表面殘余應(yīng)力研究*

劉 坤，徐 雷，周 永，任清川

(1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610000；2.四川九洲電器集團有限責(zé)任公司，成都 610000)

0 引言

隨著對航空產(chǎn)品性能要求的不斷提高，共形薄壁件因具有能與載體共形、滿足氣動特性、不破壞載體的機械結(jié)構(gòu)等特點而被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，如飛機雷達。但是共形件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、加工余量大，在銑削機載共形薄壁件的過程中，常需要對半加工的零件進行時效處理，且不同的切削條件也會導(dǎo)致不同的殘余應(yīng)力，對工件的精度要求以及可靠性有很大影響。因此，有必要探索銑削過程中機載共形薄壁件的殘余應(yīng)力現(xiàn)象及規(guī)律。

對于薄壁件銑削加工表面殘余應(yīng)力的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了以下相關(guān)研究。Arunachalam等[1]通過ABAQUS軟件構(gòu)建三維有限元切削模型，研究了銑削削鎳基高溫合金Inconel 718后薄板時的殘余應(yīng)力，并分析了其加工變形規(guī)律。Fergani等[2]對框類薄壁結(jié)構(gòu)件Al 7050銑削過程中殘余應(yīng)力進行了三維有限元仿真，綜合考慮了進給量、主軸轉(zhuǎn)速、銑削溫度和殘余應(yīng)力等因素，研究了框類薄壁件銑削加工工藝。SCHLAUER等[3]基于ANSYS軟件建立了銑削6061鋁合金腔類零件的三維模型，研究了初始殘余應(yīng)力和切削力對加工表面殘余應(yīng)力的影響。王凌云等[4]通過對薄壁件的動態(tài)特性分析，建立了瞬態(tài)銑削力數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合有限元仿真，研究了不同裝夾條件下薄壁件的變形情況。張臣等[5]基于Z-map模型的球頭銑刀銑削力建模，研究了典型薄壁件加工變形的基本規(guī)律。但目前，關(guān)于研究銑削機載共形薄壁件過程中殘余應(yīng)力現(xiàn)象及規(guī)律的相關(guān)文獻尚未見到。

殘余應(yīng)力的研究方法有實驗法和仿真法，實驗法耗時耗力且不能直觀的得出工件殘余應(yīng)力的分布情況，仿真法不僅成本低，而且可以多次模擬，能夠直接計算工件的殘余應(yīng)力。通過仿真法，文獻[6-7]研究了鋁合金銑削加工工件表面不同切削幾何位置、不同轉(zhuǎn)速下殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。基于熱力耦合分析，文獻[8-9]研究了鋁合金高速銑削過程中銑削力和溫度對工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，但模型中并未考慮應(yīng)變率等因素。

本文以共形薄壁件銑削加工表面殘余應(yīng)力為研究對象，通過Advantage有限元仿真，建立以銑削速度和銑削深度為研究參數(shù)、共形薄壁件殘余應(yīng)力變化為輸出參數(shù)的殘余應(yīng)力預(yù)測方法，并分析了共形薄壁件殘余應(yīng)力變化規(guī)律，獲得了其加工表面殘余應(yīng)力與銑削速度、銑削深度之間的關(guān)系，為實際加工提供理論參考。

1 工件及刀具材料本構(gòu)模型

1.1 5A06合金本構(gòu)模型

目前，在切削仿真計算中使用的材料本構(gòu)模型主要有Johnson-Cook、Follansbee-Kocks和Bodner-Paton等，由于Johnson-Cook(J-C)強化模型可以很好地模擬銑削共形薄壁件過程中動態(tài)載荷、應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化、溫度軟化和共形件的變形情況，因此選用J-C本構(gòu)，其表達式[10]為：

(1)

式中，第一項(A+Bεn)表征材料的應(yīng)變強化效，第二項表征材料的應(yīng)變速率，第三項表征流動應(yīng)力受溫度的影響。σ為等效應(yīng)力；A、B、n分別是材料的硬度強化系數(shù)，C為材料的應(yīng)變速率強化系數(shù)，m為材料的熱軟化系數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε0為塑性應(yīng)變率；Tr為室溫；Tm為材料熔點。

本文所用的鋁合金5A06的J-C本構(gòu)參數(shù)采用分離式Hopkinson桿實驗裝置得到，其本構(gòu)參數(shù)如表1所示[11]。

表1 鋁合金5A06 J-C模型材料本構(gòu)參數(shù)

1.2 5A06失效模型

為實現(xiàn)仿真模型中切屑與工件的分離，保證仿真切屑與實際加工過程中切屑形狀的一致性，材料分離準則采用剪切失效準則，如式(2)所示。

(2)

(3)

1.3 刀具材料參數(shù)

實際加工中所用刀具材料為硬質(zhì)合金，在有限元仿真中刀具材料的模型參數(shù)如表2所示[13]。

表2 刀具材料參數(shù)

仿真模型中主要考慮了刀具與工件之間的熱傳遞和摩擦因素對結(jié)果的影響，由于切削過程較短，未考慮刀具的磨損，且忽略刀具、工件的震動。

1.4 摩擦模型

在實際切削加工中，刀具與工件的摩擦接觸情況較為復(fù)雜，在仿真計算中，通常將摩擦區(qū)簡化為切屑滑動區(qū)與粘結(jié)區(qū)，粘結(jié)區(qū)是切屑在高溫下，產(chǎn)生滯留層，與前刀面形成粘結(jié)，而在滑動區(qū)道濟與工件的摩擦系數(shù)可以看作一個常數(shù)[14]。其表達式為：

τc=min(μσn,τs)

(4)

式中，τc為工件在前刀面產(chǎn)生的滑動剪切應(yīng)力，σn為前刀面的正應(yīng)力，μ為摩擦系數(shù)，本文取值為0.2，τs為工件的臨界屈服壓力。

2 研究對象

本文中，工件的幾何尺寸為7mm×6mm×2mm，圖1為刀具幾何模型，刀具的主要幾何參數(shù)如表3所示。

(a)刀具俯視圖

(b)刀具主視圖圖1 刀具幾何模型

表3 銑刀幾何參數(shù)

文中所研究銑刀銑削速度為200mm/min，每齒進給量為0.5mm/z，銑削深度為0.5mm，由于是銑削鋁合金共形薄壁件，因此采用的銑削方式為順銑，為了對共形件殘余應(yīng)力在不同銑削轉(zhuǎn)速和銑削深度下有一個全面的認識，因此圍繞實際工況選取4種銑削速度4種銑削深度的16種組合工況進行計算，研究方案如表4所示。

表4 研究方案

3 數(shù)值計算

本文的切削仿真基于以下假設(shè)條件：①忽略切削過程中刀具與工件所引起的震動；②在切削過程中，所切除的材料的厚度始終一致；③工件材料的各向同性；④由于在銑削過程會伴隨大量冷卻液，因此忽略了加工過程中由于溫度升高所引起的工件材料的化學(xué)變化。

由于在仿真過程中，會產(chǎn)生切屑，為保證計算精度，工件網(wǎng)格的劃分方式采用Advantage軟件的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，在工件材料被去除的區(qū)域會發(fā)生大變形，此區(qū)域的網(wǎng)格會不斷更新重組，以保證計算模型不會發(fā)生畸變。

通過設(shè)定實際情況下銑刀銑削速度和銑削深度，得到如圖2所示的仿真結(jié)果，通過觀察所得到的切屑形狀，可知其呈帶狀卷曲切屑，與實際加工過程中的切屑形狀較為符合，由此可初步驗證仿真結(jié)果的準確性。

圖2 銑削仿真溫度圖

4 結(jié)果分析

圖3所示為工件在不同銑削速度和銑削深度下的進給方向的銑削力隨時間變化而變化的情況。在相同的銑削時間下，表5為不同銑削速度和銑削深度下總的殘余應(yīng)力的仿真結(jié)果值，根據(jù)仿真結(jié)果可知，工件的殘余應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力。

圖3 不同銑削速度和銑削深度下銑削力—時間圖像

表5 仿真結(jié)果

續(xù)表

4.1 銑削速度對殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)表5的仿真結(jié)果，可以得到鋁合金銑削加工表面殘余應(yīng)力隨銑削速度變化而變化的情況，如圖4所示。

圖4 銑削速度—殘余應(yīng)力曲線

從圖4可以看出：①在相同的銑削深度下，X和Y兩個方向的殘余應(yīng)力隨著銑削速度的增大而減小；②在相同的銑削參數(shù)下，Y方向的壓應(yīng)力明顯要高于X方向的。③當銑削速度從150r/min增長到300r/min時，銑削深度為0.2mm的X、Y方向的殘余壓應(yīng)力值分別從516.7MPa和618.2MPa降到了196.2MPa和362.8MPa；銑削深度為0.8mm的X、Y方向的殘余壓應(yīng)力值分別從672.6MPa和820.4MPa降到了380.2MPa和503.2MPa。這是因為當銑削速度增大時，銑削溫度會逐漸升高，使得熱塑性變形會抵消一部分殘余壓應(yīng)力，同時銑削力降低，使得冷塑性變形所引起的壓應(yīng)力降低，因此工件表面的殘余壓應(yīng)力逐漸降低。

4.2 銑削深度對殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)表5的仿真結(jié)果，可以得到鋁合金銑削加工表面殘余應(yīng)力隨銑削深度變化而變化的情況，如圖5所示。

圖5 銑削深度—殘余應(yīng)力曲線

從圖5可以看出：①在相同的銑削速度下，X和Y兩個方向的殘余應(yīng)力隨著銑削深度的增大而增大，工件單位時間內(nèi)產(chǎn)生的銑削熱增多，但切削刃工作長度增長，刀具-工件接觸面積增大，削弱了銑削熱熱塑性變形的作用，使得工件殘余應(yīng)力增大；②當銑削深度從0.2mm增至1.1mm時，銑削面積增大，切削刃鈍圓半徑所引起的尺寸效應(yīng)增大，切削過程逐漸由剪切斷裂變?yōu)閿D壓變形，使得工件的殘余應(yīng)力增大，說明熱塑性變形產(chǎn)生的作用效果降低；③X方向的殘余應(yīng)力與Y方向的殘余應(yīng)力變化趨勢一致，但是X方向的壓應(yīng)力的絕對值普遍低于Y方向的壓應(yīng)力，其原因可能是因為切削刃殘余工作的長度增長，體積去除率增加，Y方向材料的擠壓程度增大，由此產(chǎn)生的壓應(yīng)力增大。

5 結(jié)論

通過有限元分析共形薄壁件鋁合金5A06高速銑削過程，確定了銑削速度、銑削深度與工件表面殘余應(yīng)力之間的關(guān)系模型，通過分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)工件表面的X的殘余應(yīng)力普遍低于Y方向的殘余應(yīng)力，在仿真參數(shù)范圍內(nèi)，工件表面殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這是由于冷塑性變形占主導(dǎo)地位。

(2)工件表面的殘余應(yīng)力隨著銑削速度的增大而減小，而隨銑削深度的增大而增大。

(3)構(gòu)建了以銑削速度、銑削深度為輸入，工件表面殘余應(yīng)力為輸出的預(yù)測方法，為銑削航空鋁合金共形薄壁件加工參數(shù)優(yōu)選提供了一定的理論依據(jù)。