基于AdvantEdge的7075-T651鋁合金銑削參數(shù)有限元仿真優(yōu)化

鄧 輝， 崔建昆

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200093； 2.上海理工大學(xué) 上海-漢堡國際工程學(xué)院， 上海 200093)

由于7075-T651鋁合金擁有優(yōu)秀的性能，加工成型性好，廣泛用于航天器構(gòu)件、支架以及導(dǎo)彈的艙體等，在工業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的地位[1-2]。但由于其在加工過程中會出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭組合等變形，出現(xiàn)精度超差，嚴(yán)重影響了企業(yè)的加工生產(chǎn)效率；而銑削力和銑削溫度對加工精度直接產(chǎn)生影響，為了滿足生產(chǎn)和制造質(zhì)量的要求，需要對二者進(jìn)行控制[3-5]。數(shù)值模擬方法[6-8]在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的推動下，越來越多地使用在金屬切削工藝研究中，不僅可以實(shí)時(shí)精確地檢測銑削力和銑削溫度的變化，還可以極大地節(jié)約人力和成本。

對于銑削加工過程的研究，王明海等[9]通過大量實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果后推導(dǎo)銑削力和銑削溫度的數(shù)學(xué)模型，這種做法會消耗大量的時(shí)間和成本，且銑削溫度在實(shí)驗(yàn)過程中不能實(shí)時(shí)監(jiān)測。Jomaa等[10]利用ABAQUS軟件對銑削過程進(jìn)行二維仿真，雖然已對材料參數(shù)等進(jìn)行了正確設(shè)置，但仿真結(jié)果還是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定誤差，且沒有對銑削參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。肖田和周欣等[11-12]對不同材料的金屬進(jìn)行銑削有限元仿真，優(yōu)化銑削參數(shù)來控制銑削過程中的銑削力和銑削溫度，但并沒有進(jìn)行單一銑削參數(shù)對銑削力和銑削溫度影響的研究。歐陽慧敏等[13]對7050鋁合金進(jìn)行銑削數(shù)值模擬，利用優(yōu)化算法對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以減小加工變形量，并進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性。Craciunoiu等[14]通過實(shí)驗(yàn)測量不同切削參數(shù)下切削加工的切削溫度，發(fā)現(xiàn)切削速度為影響切削溫度的主要因素，使用正交試驗(yàn)找出了切削溫度最低的最優(yōu)水平組合。

筆者利用AdvantEdge對7075-T651鋁合金進(jìn)行銑削仿真研究，得到一組銑削參數(shù)下的銑削仿真結(jié)果，將該結(jié)果與同一組銑削參數(shù)下的銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)2者較為吻合，驗(yàn)證了仿真模型是準(zhǔn)確的。以4個(gè)銑削參數(shù)為自變量設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，對表中的仿真結(jié)果進(jìn)行極差分析[15]，獲得了控制銑削力和銑削溫度的最優(yōu)參數(shù)組合。同時(shí)，為獲得單一因素對銑削力、銑削溫度的影響程度，設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)[16-17]并進(jìn)行仿真研究。

1 建立有限元模型

銑削過程的簡化模型如圖1所示，由于在去除材料的過程中，刀具隨著主軸轉(zhuǎn)動的同時(shí)自身又在沿著工件基面作進(jìn)給運(yùn)動，刀具每齒去除的材料逐漸變薄，去除部分為圖1中的剖面線部分。

圖1 銑削簡化模型Figure 1 Milling simplification model

建立的二維銑削模型如圖2所示。7075-T651鋁合金工件長度為8 mm，寬度為2 mm，刀具的材料選用硬質(zhì)合金鋼，直徑為8 mm，前角為15°，后角為6°，刀尖半徑設(shè)置為0.02 mm。有限元模型中最大網(wǎng)格尺寸為0.10 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm，對刀具前刀面、后刀面和工件上參與銑削的部分作網(wǎng)格細(xì)化處理。

圖2 二維銑削有限元模型Figure 2 2D Milling finite element model

采用如表1中所示的銑削參數(shù)進(jìn)行仿真，銑削方式為順銑，干銑削，環(huán)境介質(zhì)溫度設(shè)置為20 ℃。

表1 仿真銑削參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

7075-T651鋁合金銑削仿真的銑削力結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)毒邉偳腥牍ぜ笄邢蜚娤髁x和徑向銑削力Fy快速增大，之后逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在穩(wěn)定銑削狀態(tài)下2個(gè)方向上的銑削力會存在一定范圍的波動，最后切向銑削力Fx逐漸減小，當(dāng)?shù)毒咄耆谐龉ぜr(shí)，2個(gè)方向上的銑削力變?yōu)榱?，這與實(shí)際銑削時(shí)銑削力變化的趨勢規(guī)律較為吻合。取穩(wěn)定銑削狀態(tài)的銑削力數(shù)值的平均值作為銑削力結(jié)果。

圖3 銑削力仿真結(jié)果Figure 3 Simulation results of milling force

銑削仿真的銑削溫度T結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，銑削溫度在工件上的分布分為幾個(gè)梯度，提取工件靠近刀尖附近梯度上的各個(gè)點(diǎn)，將各個(gè)點(diǎn)上溫度的平均值作為銑削溫度的仿真結(jié)果。

將銑削仿真獲得的銑削力與銑削溫度進(jìn)行處理，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 銑削仿真結(jié)果

3 銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 銑削力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的機(jī)床為Carver S600A立式銑床，銑削力的測量采用Kistler測力儀(9139A型)。運(yùn)用表1中的銑削參數(shù)進(jìn)行如圖5所示的銑削實(shí)驗(yàn)，對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)后得到的銑削力的結(jié)果曲線(取穩(wěn)定波動階段的平均值)如圖6所示。

圖5 銑削力測量實(shí)驗(yàn)Figure 5 Milling force measurement experiment

圖6 銑削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 6 Experimental results of milling force

實(shí)驗(yàn)測得的銑削力結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差如表3所示。

表3 銑削力仿真與實(shí)驗(yàn)誤差

由表3可知Fx，F(xiàn)y的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差分別為2.3%和7.3%，結(jié)果較為吻合，說明仿真模型可實(shí)現(xiàn)對加工結(jié)果的模擬預(yù)測。

3.2 銑削溫度實(shí)驗(yàn)

測試銑削溫度所用的機(jī)床與上節(jié)一致，銑削溫度的測量使用K型熱電偶絲，測量銑削溫度的步驟一般為：①先將工件線切割成2半；②在工件的測試點(diǎn)附近進(jìn)行開槽；③將K型熱電偶絲放入測試點(diǎn)中并夾緊2半工件，熱電偶絲的放置如圖7所示。

圖7 熱電偶絲放置示意圖Figure 7 Schematic diagram of thermocouple wire placement

銑削實(shí)驗(yàn)后測得的銑削溫度曲線如圖8所示。銑削在室溫20 ℃左右進(jìn)行，隨著銑削過程的進(jìn)行，銑刀銑削至熱電偶絲附近時(shí)，熱電偶絲附近工件表面的溫度逐漸升高，直到銑刀正好加工到熱電偶絲位置時(shí)，測試點(diǎn)的溫度達(dá)到最高，之后逐漸恢復(fù)至室溫。取最高溫度為銑削溫度的結(jié)果。

圖8 銑削溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 8 Milling temperature experimental results

實(shí)驗(yàn)測得的銑削溫度和仿真結(jié)果之間的誤差如表4所示。

表4 銑削溫度仿真與實(shí)驗(yàn)誤差

從表4中可知，銑削仿真溫度與實(shí)驗(yàn)測得溫度之間的誤差為6.3%，結(jié)果較為吻合，可實(shí)現(xiàn)對銑削溫度的模擬預(yù)測。

綜上所述，仿真得到的銑削力和銑削溫度與銑削實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果都很接近，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性。

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 正交試驗(yàn)表

以4個(gè)銑削參數(shù)為自變量，設(shè)計(jì)4因素4水平正交試驗(yàn)表，如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)表

每一組試驗(yàn)都可以得到一組切向銑削力、徑向銑削力和銑削溫度，得到2個(gè)方向的分力Fx和Fy后，再通過計(jì)算求出銑削合力Fs。正交試驗(yàn)每組得到的結(jié)果如表6所示。

4.2 極差分析

分析表6中不同銑削參數(shù)組合下銑削力和銑削溫度的結(jié)果，利用極差分析法對上表中得到的銑削合力Fs的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過比較表7中水平因子的極差R值大小，可知對銑削力影響最顯著的銑削參數(shù)為銑削深度，對銑削力影響最小的因素是主軸轉(zhuǎn)速。對銑削過程中銑削力控制效果最好的工藝參數(shù)組合為銑削深度0.4 mm，每齒進(jìn)給量0.05 mm，銑削寬度2 mm，主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min。優(yōu)選方案為A1D1B1C3。對銑削溫度T進(jìn)行極差分析得到的結(jié)果如表8所示。

表7 銑削力仿真結(jié)果分析

通過分析表8可知每齒進(jìn)給量對銑削溫度影響最顯著，銑削寬度對銑削溫度影響最小。銑削過程中銑削溫度控制最好的工藝參數(shù)組合為每齒進(jìn)給量0.05 mm，主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min，銑削深度1.0 mm，銑削寬度2 mm。優(yōu)選方案為D1C1A4B1。

表8 銑削溫度仿真結(jié)果分析

根據(jù)表7～8的數(shù)據(jù)，選取出了銑削過程中控制銑削力和銑削溫度的2組最好的工藝參數(shù)組合，可有效地改善加工質(zhì)量。

5 單因素試驗(yàn)法

5.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果

已經(jīng)通過正交試驗(yàn)法得到了4個(gè)水平因子對銑削力和銑削溫度影響程度的主次關(guān)系，也選取了控制銑削力和銑削溫度的最優(yōu)參數(shù)。為了進(jìn)一步分析每一個(gè)銑削參數(shù)在銑削過程中對銑削力和銑削溫度的影響程度，筆者利用單因素實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行仿真研究，在其他銑削參數(shù)不變的情況下改變其中的一個(gè)銑削參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真方案如表9所示，每個(gè)銑削參數(shù)選用3個(gè)水平值。

表9 單因素試驗(yàn)仿真方案

經(jīng)過對表9中每組銑削參數(shù)的仿真，得到如表10所示的單因素試驗(yàn)結(jié)果。

表10 單因素試驗(yàn)仿真結(jié)果

5.2 單一銑削參數(shù)對銑削力的影響

根據(jù)表10中的仿真結(jié)果分析，可以得到如圖9所示的關(guān)于銑削力的影響曲線。從轉(zhuǎn)速曲線看，當(dāng)水平1變至水平3，即主轉(zhuǎn)速從6 000 r/min到10 000 r/min時(shí)，切向銑削力Fx從126.77 N降低到125.97 N，基本保持不變；徑向銑削力Fy隨主軸轉(zhuǎn)速的增大稍微有一些降低，因此銑削力幾乎不受主軸轉(zhuǎn)速的影響。從每齒進(jìn)給量曲線看，水平1到水平3，即每齒進(jìn)給量從0.1 mm到0.2 mm時(shí)，F(xiàn)x從87.25 N增加到160.05 N；Fy從33.91 N增加到48.55 N，都有很大幅度的增長。從銑削深度曲線看，水平1到水平3，即銑削深度從0.4 mm到0.8 mm，F(xiàn)x從84.24 N增加169.02 N；Fy從30.22 N直接增加到60.37 N，增幅幾乎翻倍。從銑削寬度曲線看，水平1到水平3，即銑削寬度從2 mm到6 mm時(shí)，F(xiàn)x從110.30 N增加到126.01 N；Fy從40.91 N增加到45.11 N，增幅較小但也呈增長趨勢。

由圖9可知，銑削力幾乎不受主軸轉(zhuǎn)速的影響，銑削力會隨著每齒進(jìn)給量的增加大幅度增長，因?yàn)榈毒呙哭D(zhuǎn)動1周所需切除的材料增多，導(dǎo)致銑削力增大，銑削深度對銑削力的影響最顯著，呈正相關(guān)關(guān)系，對銑削力影響最小的因素為銑削寬度，雖然漲幅不大，但總體呈現(xiàn)增長趨勢。

圖9 銑削參數(shù)對銑削力的影響曲線Figure 9 Influence curve of milling parameters on milling forces

5.3 單一銑削參數(shù)對銑削溫度的影響

單個(gè)因素對銑削溫度的影響曲線如圖10所示。從圖中可以看出，從轉(zhuǎn)速曲線看，水平1變到水平3時(shí)，銑削溫度從160.58 ℃升高至253.39 ℃，增加了約93 ℃，增幅是4個(gè)因素中最大的。從每齒進(jìn)給量曲線看，當(dāng)水平1到水平3時(shí)，銑削溫度從182.14 ℃升高至230.19 ℃，增加了48 ℃，增幅在4個(gè)因素對銑削溫度的影響中排第2。從銑削深度曲線看，當(dāng)水平1到水平3時(shí)，銑削溫度從202.49 ℃先小幅增大到203.37 ℃，再回到202.47 ℃，銑削溫度幾乎無變化。從銑削寬度曲線看，當(dāng)水平1變到水平3時(shí)，銑削溫度從194.48 ℃到212.06 ℃，增加了約18 ℃，增幅在4個(gè)影響因素中排第3。

圖10 銑削參數(shù)對銑削溫度的影響曲線Figure 10 Influence curve of milling parameters on milling temperature

6 結(jié)論

通過建立二維銑削仿真模型，筆者對7075-T651鋁合金進(jìn)行了銑削仿真，使用同一銑削參數(shù)進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證仿真得到的銑削力與銑削溫度結(jié)果，獲得了以下結(jié)論：

1) 銑削力和銑削溫度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分別為2.3%和7.3%，說明建立的仿真模型可準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測模擬；

2) 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果經(jīng)過極差分析后獲得控制銑削力和銑削溫度的2組最佳水平組合；

3) 為獲得單一因素對銑削力和銑削溫度的影響，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，得出在實(shí)際加工過程中為了控制銑削力，應(yīng)當(dāng)采用盡可能小的每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度，較高的主軸轉(zhuǎn)速；為了控制銑削溫度，銑削深度應(yīng)當(dāng)盡可能的大，主軸轉(zhuǎn)速、銑削寬度和每齒進(jìn)給量盡可能小。