基于AdvantEdgeFEM的微波器件銑削參數(shù)分析

尹可鑫，梁 謙，尤權(quán)利，王建永，孫東文，張偉明

(中國電子科技集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050081)

0 引言

一款典型微波器件——某Q/V頻段正交模耦合器，其結(jié)構(gòu)尺寸較小，通常精度要求達(dá)到10-20μm，且內(nèi)腔空間復(fù)雜，存在若干死角與薄壁結(jié)構(gòu)。2A12-T4鋁合金被廣泛應(yīng)用在此類微波器件的設(shè)計加工制造過程中。高頻微波器件的典型精加工工序涉及高速銑削加工、微小尺寸加工與薄壁加工。在這三種典型工序中，切削力與切削溫度對被加工件的性能、變形及殘余應(yīng)力均有直接影響，需控制在期望范圍內(nèi)。當(dāng)今學(xué)術(shù)界對此已進(jìn)行了部分探索：胡權(quán)威等結(jié)合正交實驗設(shè)計法與優(yōu)勢分析方法，發(fā)現(xiàn)了在精加工階段影響薄壁件變形的銑削要素中，銑削深度對加工變形的影響顯著，其次是銑削寬度和每齒進(jìn)給量，而銑削速度的影響卻很小[1]。蔡明等結(jié)合有限元分析實驗與切削實驗，得出了鋁合金6061材料微尺度銑削實驗參數(shù)范圍內(nèi)最優(yōu)工藝參數(shù)組合[2]。蘇建民建立了三維銑削有限元模型，通過與實際實驗的比對，發(fā)現(xiàn)切削溫度的仿真值與實驗值的最大誤差在15%以內(nèi)[3]。

高精度、微小尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)的銑削過程較為復(fù)雜，因此，本研究將應(yīng)用專業(yè)切削仿真商用軟件Thirdwave AdvantEdge FEM軟件，以專業(yè)性的算法為基礎(chǔ)，建立切削仿真模型，研究切削參數(shù)對切削力、切削溫度的影響規(guī)律，分析比對得出最優(yōu)參數(shù)選取范圍，為高頻微波器件的精加工過程提供參考建議，避免傳統(tǒng)加工中技術(shù)的不可復(fù)制、零件質(zhì)量的不可控等問題，從而減少加工人員工作量，輔助改進(jìn)工藝流程，提高加工效率。

1 實驗設(shè)計

1.1 本構(gòu)模型

材料的本構(gòu)方程也稱流動應(yīng)力方程，該方程描述材料變形的基本信息，表明在加工變形條件下變形熱力參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系，即流動應(yīng)力與應(yīng)變率和溫度之間的依賴關(guān)系[4]。有限元仿真所選的本構(gòu)模型直接影響了在銑削過程材料所發(fā)生的變化，其精確度也直接反映在有限元模型的可靠程度上，從而影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，其表達(dá)公式如下：

1.2 實驗條件

有限元模型，不僅包括被研究對象的幾何特征及其全部的特性，而且包括被研究對象與外界環(huán)境之間的相互關(guān)系。因此，本實驗的有限元模型為銑削過程中的工件、刀具及此二者之間的相互運(yùn)動擠壓、入侵和破壞過程，復(fù)雜程度高。在有限元分析過程中，應(yīng)盡可能的簡化模型，從而減少計算時間，提高實驗效率，使仿真實驗的實際意義提高。

基于以上原則，假設(shè)以下條件：

a)待切削材料在工件內(nèi)部均勻分布；

b)仿真過程中不發(fā)生化學(xué)變化；

c)近似認(rèn)為仿真過程中刀具不產(chǎn)生彈性變形；

d)仿真實驗時間極短，不考慮刀具的磨損情況。

1.3 實驗理論驗證

使用有限元方法對銑削過程進(jìn)行仿真是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界常用手段，相關(guān)的實際加工實驗經(jīng)過多年的論證與實施，具備充分的合理性與準(zhǔn)確性。因此，本實驗根據(jù)宋霄等[5](其切削實驗主切削力變化曲線圖如圖1所示)，提出的方法進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并與該文實際加工實驗結(jié)果進(jìn)行對比，以此驗證本實驗理論設(shè)計的合理性。

圖1 宋霄等[5]進(jìn)行的切削實驗的主切削力隨時間變化曲線

依據(jù)文獻(xiàn)[5]的實際加工實驗，取相同實驗條件，按表1中的參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果比對如表2及圖2所示。

表1 驗證實驗的設(shè)置參數(shù)

圖2 驗證實驗的切削力隨時間變化曲線

表2 驗證實驗的結(jié)果

由表2及圖2可以看出，切削力曲線的變化趨勢與圖1相同，數(shù)值相近，可以認(rèn)為本實驗所采用的實驗原理正確，實驗方法合理，可以進(jìn)行正式仿真實驗。

2 實驗流程

2.1 實驗參數(shù)設(shè)置

本實驗中，待銑削工件為長條狀鋁合金塊，材料為2A12-T4，尺寸3mm×4mm×1mm，用以模擬實際待加工件的加工區(qū)域近似形狀，該材料的物理性質(zhì)及力學(xué)性能如表3。工件材料的本構(gòu)模型設(shè)置如表4。

表3 2A12-T4的物理性質(zhì)及力學(xué)性能

表4 工件的本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置

本實驗中，刀具選取2刃硬質(zhì)合金銑刀，無涂層，刀具直徑為1mm，長度為2mm，傾斜角度為55°。刀具材料參數(shù)如表5。

表5 刀具材料的參數(shù)設(shè)置

工件與刀具的相對位置關(guān)系設(shè)置如圖3。

圖3 仿真實驗刀具與工件的相對位置關(guān)系

2.2 有限元模擬參數(shù)選取

為提高仿真效率的同時保證仿真精度，工件的網(wǎng)格需要在待切削區(qū)域劃分的更細(xì)密，最小單元尺寸為0.005mm；而在非切削區(qū)域可適當(dāng)使用較為粗大的網(wǎng)格，最大單元尺寸為0.1mm。使用網(wǎng)格單元的劃分等級梯度來控制網(wǎng)格由粗到細(xì)轉(zhuǎn)換的快慢程度，本實驗選取時劃分等級梯度時0.5。

為了提高實驗結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，采用了耗時更長的標(biāo)準(zhǔn)模擬模式。實驗者采取了多種優(yōu)化方式，包括減少小圓角過渡尺寸和采用CPU多核同時工作等方法，每次仿真實驗時間約40h[6]。

2.3 仿真實驗參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實際加工經(jīng)驗，結(jié)合參考其他文獻(xiàn)[7-9]實驗，實驗參數(shù)設(shè)置如表6。

表6 仿真實驗參數(shù)設(shè)置

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 仿真實驗的切削力及分析

15組實驗的切削合力的峰值如表7與圖4所示。

表7 仿真實驗的切削合力峰值

圖4 仿真實驗的切削合力峰值

其中任意一組實驗中，切削合力由呈正交的三個方向分量組成，分別為Fx、Fy、Fz，且切削分力隨時間變化的數(shù)值不同，趨勢相同。例如，實驗11的三方向切削力分量隨時間變化的曲線如圖5所示。

圖5 實驗11中切削力隨時間變化曲線

總結(jié)上述結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)銑削過程中切削力主要產(chǎn)生在進(jìn)給方向(Y方向)，其次產(chǎn)生在前進(jìn)方向(X方向)和沿刀具軸線方向(Z方向)上。

(2)切削力的變化規(guī)律基本保持穩(wěn)定。銑刀的某一刀刃接觸工件后，切削力出現(xiàn)了明顯的提升，這是由于刀具和工件的剛性接觸引起的；隨著銑削過程的進(jìn)行，切削力到達(dá)某一峰值，后逐漸趨于0，直至下個刀刃和工件接觸[10]。

(3)從實驗結(jié)果中可以看出，實驗11的切削力峰值最小，即在轉(zhuǎn)速為40000rpm、銑削深度為0.2mm、銑削寬度為0.3mm、進(jìn)給量為0.04mm時，銑削過程中產(chǎn)生的切削力峰值最小?？梢哉J(rèn)定為在當(dāng)前選擇條件范圍內(nèi)的最優(yōu)參數(shù)組合。后續(xù)的實驗者可以從最優(yōu)參數(shù)附近區(qū)間入手，在本實驗的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行研究。

(4)對每一個參數(shù)的不同水平進(jìn)行對比。由于實驗條件有限，難以判斷切削力隨某一參數(shù)的具體數(shù)學(xué)變化規(guī)律，因此以下內(nèi)容均為定性討論。

(a)隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削力逐漸減小，但轉(zhuǎn)速的增減對銑削過程中切削力的產(chǎn)生的影響較小，可以認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速對切削力是非主要影響因素。

(b)銑削寬度的改變對切削力有較明顯的影響，對比不同銑削寬度的實驗切削力曲線，可知隨著寬度的增加，切削力呈逐漸增大的趨勢。

(c)比較不同銑削深度對切削力產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)銑削深度對切削力產(chǎn)生的影響更甚于銑削寬度。隨著銑削深度的增大，切削力明顯增大。

(d)進(jìn)給量對切削力產(chǎn)生的影響為正相關(guān)。進(jìn)給量增大，切削力逐漸增大，但增加幅度沒有銑削深度與銑削寬度大。

3.2 仿真實驗的溫度及分析

15組實驗的峰值溫度對比如表8與圖6所示。

表8 仿真實驗的溫度峰值

圖6 仿真實驗的溫度峰值

實驗11中，工件的溫度場在t=0.001s時的分布如圖7所示。

圖7 實驗11中t=0.001s時的工件溫度云圖分布

通過對比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)對任意一組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出銑削過程中溫度分布區(qū)間穩(wěn)定，主要溫度增加區(qū)域集中在受直接切削的材料處，而兩側(cè)溫度梯度分布均較為平滑，未受切削區(qū)域溫度變化不明顯。此現(xiàn)象與實際加工中積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)相符，直觀表明本實驗所選取的方法與參數(shù)是合理的。

(2)從實驗結(jié)果中可以看出，實驗1的峰值溫度最小，即在轉(zhuǎn)速為20000rpm、銑削深度為0.2mm、銑削寬度為0.3mm、進(jìn)給量為0.04mm時，銑削過程中產(chǎn)生的峰值溫度最小?？梢哉J(rèn)定為在當(dāng)前選擇條件范圍內(nèi)的最優(yōu)參數(shù)組合。

(3)對比不同參數(shù)組的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)下溫度的變化較小，最大的峰值溫度差出現(xiàn)在實驗1與實驗15之間，此差距數(shù)值較小，說明本次實驗選取的數(shù)據(jù)均處于正常范圍內(nèi)，間接的證明了本實驗參數(shù)選取的合理性。

(4)對每一個參數(shù)的不同水平進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)增加轉(zhuǎn)速、銑削深度、銑削寬度與進(jìn)給量均會使溫度增加。定型分析判斷，主軸轉(zhuǎn)速的增加是切削溫度增大的主要因素，切削寬度、切削深度和每齒進(jìn)給量對切削溫度的增大的貢獻(xiàn)接近。

4 結(jié)論

(1)基于AdvantEdge軟件，本研究對2A12-T4材料的高精度、微小尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)銑削過程進(jìn)行了有限元建模，分析了主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度、銑削寬度與進(jìn)給量等參數(shù)對切削力與切削溫度的影響。由實驗數(shù)據(jù)得知，銑削深度對切削力影響最大，呈正相關(guān)；其次，銑削寬度對切削力影響大，呈正相關(guān)；再次，每齒進(jìn)給量對切削力影響較大，呈正相關(guān)；而轉(zhuǎn)速對切削力影響最小，呈負(fù)相關(guān)。四因素的增加均會使切削過程中的溫度增加，主軸轉(zhuǎn)速是主要影響因素。

(2)綜合考慮切削力與切削溫度，實驗11為優(yōu)選參數(shù)組合，轉(zhuǎn)速為30000rpm、銑削深度為0.2mm、銑削寬度為0.3mm、進(jìn)給量為0.04mm，此時切削合力峰值為14.56N，溫度峰值為92.10℃。

(3)本研究構(gòu)建了以多參數(shù)為輸入，切削力、溫度為輸出的銑削過程預(yù)測分析方法，為實際高精度饋源網(wǎng)絡(luò)組件加工提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。