基于有限元法的鎂合金AZ31B銑削參數(shù)影響分析

李 博，王彩霞，董桂華，周 欣

(西安航空學院 機械工程學院，西安710077)

0 引言

鎂合金具有比強度高、比剛度高、阻尼減振性強、液態(tài)成型性好、能屏蔽電磁輻射、易于回收利用等顯著優(yōu)點[1]，因而在國防工業(yè)、汽車制造、電子產(chǎn)品等眾多領域都有重要的應用價值和發(fā)展前景。但鎂合金在高溫時其強度降低、抗蠕變性和耐腐蝕性較差，因此對鎂合金銑削參數(shù)的優(yōu)化就顯得尤為重要。

邊建瀟、劉陽等[2]通過實驗方法對影響AZ31B鎂合金表面完整性的銑削工藝參數(shù)進行了研究，分析了主軸轉速，每齒進給量和背吃刀量對AZ31B鎂合金表面完整性的影響，利用響應曲面法(RSM)創(chuàng)建了工藝參數(shù)和響應目標之間的回歸模型，得到了獲取最小表面粗糙度和最大硬度的最優(yōu)方案。何啟東等[3]在微銑削工況下對AZ31B鎂合金的銑削力及加工機理進行了研究，通過搭建HAAS機床試驗平臺對模型的準確性進行驗證，分析了不同切削參數(shù)對微銑削力和加工表面質量的影響規(guī)律。WU B L等[4]研究了AZ31B鎂合金在0.5Hz、1.0Hz和2.0Hz循環(huán)應力控制下的棘輪行為。K.P.Vasantha Kumar等[5]研究了FSW工藝參數(shù)對異種鋁合金AA6061和AZ31B鎂合金力學性能的影響。張宏基等[6]采用析因實驗設計的方法對高速銑削條件下的AM50A鎂合金進行了實驗研究，得到了銑削參數(shù)對銑削力、表面粗糙度和表面形貌的影響關系。

近年來，數(shù)值計算在材料切削領域也得到了一定的應用。使用有限元仿真可系統(tǒng)地研究銑削參數(shù)在鎂合金銑削過程中對銑削力和發(fā)熱程度的影響規(guī)律。張建飛等[7]基于有限元軟件AdvantEdge結合相應曲面法，研究了刀具幾何參數(shù)對鈦合金加工過程的影響，得到了各參數(shù)影響的大小順序。周欣等[8]基于AdvantEdge對鋁合金零件銑削加工過程中的切削力、工件變形等進行了分析。

本文應用商用有限元分析軟件對鎂合金材料AZ31B的銑削過程進行了分析，通過建立鎂合金銑削加工仿真模型，確定影響加工過程的因素與水平，使用正交設計法設計多因素試驗方案，經(jīng)過極差法對正交試驗結果進行分析，得到了影響銑削力、銑削溫度的因素主次關系。研究結果為鎂合金零件加工過程中的切削參數(shù)優(yōu)化提供了一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 計算模型

1.1 材料本構模型

金屬切削過程中，受高的切削溫度、高的切削壓力、大的應力應變等因素影響，材料常常會發(fā)生彈塑性形變，本文選擇Johnson-Cook本構模型[9]，其表達式為：

1.2 材料失效模型

材料失效模型的表達式為：

其中，θ為材料的當前溫度；θmelt為材料的融化溫度；θtransition為室溫。

1.3 設計方法與計算方案

本文采用正交試驗設計法來設計計算方案。選取銑削深度ap、每齒進給量fz、銑削速度Vc三個參數(shù)作為試驗因素，每個因素下選取三個水平變量。鎂合金在高速加工時，其切削速度范圍可取400～7500 m/min，但當切屑溫度超過480 ℃時就會著火，為了安全起見，則需要避免進給量在0.05 mm/r以下、切削速度在1500 m/min以上的加工。綜上，銑削參數(shù)設置范圍為：銑削深度ap取0.5～1.5 mm，每齒進給量fz取0.050～0.100mm/z，銑削速度Vc取400～600 m/min，具體如表1所示，然后根據(jù)正交表設計若干組正交試驗。

表1 試驗因素水平表

由表1可知，對于三因素三水平的試驗方案安排，可根據(jù)正交表L9(34)進行設計，本次試驗次數(shù)及各組參數(shù)組合如表2所示。

表2 正交試驗安排計算方案

2 結果與分析

本文以鎂合金AZ31B為研究對象，其自定義材料本構模型仿真取值如表3所示。在計算過程中，基于以下假設條件[11]：

(1)工件在切削的時候，其被切除部分的高度始終保持不變，因此該過程可以算作平面進行分析處理；

(2)在刀具對工件切削時，忽略刀具的震動對于加工的影響；

(3)由于仿真所模擬的加工過程很短，因此該過程并未考慮刀具的損耗。

表3 鎂合金AZ31B的本構模型參數(shù)

仿真類型選擇2D Down milling(順銑)，工件的網(wǎng)格劃分采用軟件自適應劃分技術。刀具選用直徑為Φ12 mm的三刃立銑刀，刀具材料選用硬質合金(Carbide-Grade-K)，刀尖圓弧半徑為0.04 mm，前角19°，后角22°，螺旋角30°；刀具涂層為一層，其材料使用TiN，厚度1 μm。在有限元模型中，刀具網(wǎng)格劃分的最大單元尺寸設為1 mm，最小單元尺寸0.1 mm，網(wǎng)格劃分等級參數(shù)0.4。不使用切削液冷卻，初始溫度選擇室溫20 ℃。根據(jù)設置的銑削寬度以及進給量大小，系統(tǒng)將自動計算仿真模擬時的銑削長度。

圖1為切削深度ap=0.5 mm，每齒進給量fz=0.05 mm/z，切削速度Vc=400 m/min時的切削溫度云圖及切削力的變化?？煽闯鲢娤髁?、銑削溫度隨著刀具的切入迅速增大，主切削力Fx最大14.214 N，背向力Fy最大13.884 N，工件溫度最大值345.291 ℃。

圖1 ap=0.5 mm，fz=0.050 mm/z，Vc=400 m/min的試驗仿真結果

表4 銑削力試驗結果的極差分析

續(xù)表4

表5為各計算方案的最高溫度值及極差分析結果。從極差計算結果可見對銑削溫度的影響主次順序為：銑削速度>每齒進給量>銑削深度。

表5 銑削溫度試驗結果的極差分析

3 結語

本文采用有限元方法對鎂鋁系合金AZ31B進行了二維銑削仿真模擬，獲得了銑削力變化趨勢圖、銑削溫度場分布云圖。通過對仿真加工過程的觀察可得到：

(1)刀具切削工件過程中，切屑上的溫度比工件上的溫度都高，這與實際加工過程中大量切削熱被切屑帶走的情況相一致。通過動畫演示可以看到不同時刻工件、刀具以及切屑上的溫度分布，而且刀具上的最高溫度出現(xiàn)在前刀面與切屑接觸的地方。

(2)在切削開始時刻，銑削力隨著刀具切入材料厚度的增加而迅速從零開始增大；當材料完全切入時，銑削力達到最大值，隨后保持在小幅波動內(nèi)；當?shù)毒咄耆谐霾牧蠒r，銑削力就減為零。從切入到切出的過程中，其銑削力的值由小到大再到小，這是因為在銑削過程中因為工件溫度軟化的效應可使銑削力有所下降。

(3)運用極差法對正交試驗所得銑削力和銑削溫度結果進行分析，得到了影響受力的各因素主次順序為：銑削深度>每齒進給量>銑削速度；影響發(fā)熱程度的各因素主次順序為：銑削速度>每齒進給量>銑削深度。