五軸銑車機(jī)床加工鋁合金變形模擬分析及應(yīng)用

摘 要：針對(duì)五軸銑車復(fù)合機(jī)床加工電動(dòng)汽車鋁合金電動(dòng)機(jī)殼薄壁零件時(shí)容易產(chǎn)生鋁合金局部變形等缺陷問(wèn)題，分析鋁合金電動(dòng)機(jī)殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述運(yùn)用五軸機(jī)床的銑、車轉(zhuǎn)換功能固定機(jī)床主軸便于安裝車刀，使用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)，將電動(dòng)機(jī)殼內(nèi)壁加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的車削加工。應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬分析不同車削深度時(shí)刀具與工件的摩擦生熱、塑性變形和切削受力情況，根據(jù)模擬結(jié)果合理精準(zhǔn)選擇數(shù)控加工編程時(shí)的車削深度參數(shù)，從而減少鋁合金零件加工變形缺陷，提高薄壁鋁合金零件五軸加工的精度、質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：五軸機(jī)床；銑車加工；變形模擬；車削深度；受力分析

中圖分類號(hào)：TH164" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-5276（2024）05-0058-04

Simulation Aalysis and Application of Aluminum Alloy Deformation Processed by 5-axis Milling Machine

Abstract：To address the local deformation of aluminum alloy when machining thin wall parts of aluminum alloy motor housing of electric vehicle by five-axis milling machine， analyzes the structural characteristics of aluminum alloy electric casing， elaborates the accessibility of installing turning tools by using the conversion function of milling and turning of 5-axis machine tool to fix the spindle of the machine tool， and the application of torque motor to drive the table to rotate at high speed to transform the machining of the inner wall of the electric casing into simple turning. ANSYS finite element software was used to simulate and analyze the frictional heat generation， plastic deformation and cutting force. According to the simulation results， the turning depth parameters in nc machining programming were selected reasonably and accurately， so as to reduce the machining deformation of aluminum alloy parts and improve the five-axis machining precision， quality and efficiency of thin-walled aluminum alloy parts.

Keywords：5-axis machine tool；milling lathe processing；deformation simulation；turning depth；force analysis

0 引言

隨著新能源汽車車身輕量化的需求不斷增加，越來(lái)越多的零件采用鋁合金作為結(jié)構(gòu)件。鋁合金結(jié)構(gòu)件硬度相對(duì)較小，熔點(diǎn)比鋼材低，熱膨脹系數(shù)較大，在切削加工中容易因刀具和工件之間的高速摩擦發(fā)生熱膨脹變形，造成零件在加工后報(bào)廢的情況。因此有必要運(yùn)用數(shù)字化模擬分析軟件，量化模擬刀具、工件之間在加工過(guò)程的瞬時(shí)受力和變形情況，正確進(jìn)行加工參數(shù)選擇。圖1（a）所示為新能源汽車電動(dòng)機(jī)殼零件，針對(duì)零件復(fù)雜的結(jié)構(gòu)采用圖1（b）所示的五軸機(jī)床進(jìn)行加工。其中電動(dòng)機(jī)殼圓筒狀的內(nèi)壁形狀需要采用銑車復(fù)合加工方法。

由于機(jī)床、工件和刀具相互間的受力情況不同于正常銑削加工，如果按照傳統(tǒng)數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行切削參數(shù)設(shè)定，容易出現(xiàn)刀具參數(shù)、切削深度與切削進(jìn)給率之間不匹配，造成零件局部熱變形及塑性變形等。為了正確設(shè)定加工參數(shù)，采用ANSYS瞬態(tài)分析模塊，研究不同車削深度的變形和受力情況，合理設(shè)定加工參數(shù)，編制更安全、更高效的數(shù)控程序［1］，具體的研究過(guò)程詳述如下。

1 鋁合金薄壁電動(dòng)機(jī)殼五軸加工的方案及分析

鋁合金電動(dòng)機(jī)殼內(nèi)腔切削是加工過(guò)程中程序運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間最長(zhǎng)的工序，由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大，切削時(shí)間越長(zhǎng)，摩擦熱和變形趨勢(shì)都會(huì)增大。因此內(nèi)壁車削加工最有可能發(fā)生變形。為避免加工時(shí)工件表面變形缺陷，需要在合理制定五軸銑車復(fù)合加工裝夾方案和工藝的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS軟件transient structural功能，綜合各種物理因素進(jìn)行切削瞬態(tài)分析，選擇合理的切削參數(shù)優(yōu)化控制加工質(zhì)量。

1.1 電動(dòng)機(jī)殼五軸機(jī)床加工方案和熱變形分析

新能源汽車電動(dòng)機(jī)殼是用于承載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子工作的關(guān)鍵零件，機(jī)殼前期采用工藝過(guò)程復(fù)雜的鋁合金低壓鑄造工藝成型，在進(jìn)入數(shù)控機(jī)床加工工序前零件已經(jīng)含有較高的制造成本價(jià)值。機(jī)殼外形尺寸為150mm×190mm，質(zhì)量15.6kg，材質(zhì)為熔點(diǎn)603℃的A356鋁合金，壁厚最小處僅有3mm。為保證零件側(cè)面各方向多個(gè)槽、孔等幾何特征的定位精度，需要在五軸機(jī)床上一次裝夾后加工成形。其中電動(dòng)機(jī)殼內(nèi)壁為表面粗糙度要求較高的回轉(zhuǎn)體幾何形狀，因此運(yùn)用五軸機(jī)床的銑、車轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行車削加工。在圖1（b）所示的五軸機(jī)床主軸刀柄上安裝車刀，工作臺(tái)在力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)下夾持工件進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，機(jī)床主軸成為鎖緊固定的車削刀架，車刀尖指向180°，編程時(shí)輸入刀尖偏心補(bǔ)償坐標(biāo)。機(jī)床的5個(gè)軸分別為x、y、z 3個(gè)直線軸和A、C 2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在一次裝夾中完成對(duì)機(jī)殼的內(nèi)壁回轉(zhuǎn)體車削、底座和底座側(cè)面的銑削復(fù)合加工，避免了機(jī)殼在不同的機(jī)床上重復(fù)裝夾、校正和對(duì)刀產(chǎn)生的誤差［2］。

在鋁合金電動(dòng)機(jī)殼的切削過(guò)程中，隨著刀具與工件之間摩擦熱量的產(chǎn)生和熱傳導(dǎo)的持續(xù)進(jìn)行，受溫度影響的工件表面容易發(fā)生塑性變形。尤其對(duì)于熱膨脹系數(shù)較大、連續(xù)切削時(shí)間較長(zhǎng)的鋁合金加工，鋁合金機(jī)殼表層更容易發(fā)生熱變形和塑性變形迭加的缺陷。切削過(guò)程中刀具和機(jī)殼內(nèi)壁的接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形及摩擦變形，切削功率大多數(shù)將轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟谢谱冃巍⑦^(guò)剩變形以及摩擦變形過(guò)程所耗的能量，并在一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，產(chǎn)生切削區(qū)域及鋁合金機(jī)殼內(nèi)壁急劇升溫的現(xiàn)象［3］。其中切削溫度與切削量的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：T為前刀面接觸區(qū)域的平均溫度，℃；Cθ為切削溫度系數(shù)；vc為切削速度，m/min；f為進(jìn)給量，mm/r；ap為切削深度，mm；xθ為切削速度對(duì)切削溫度的影響指數(shù)；yθ為進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響指數(shù)；zθ為切削深度對(duì)切削溫度的影響指數(shù)。

由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)較高，因此在內(nèi)腔持續(xù)加工時(shí)，不斷升高的切削溫度會(huì)使工件表面膨脹變形。同時(shí)，由于切削深度大小直接決定了刀具和工件接觸面大小，更關(guān)系到加工過(guò)程的切削力大小和摩擦產(chǎn)生熱量的速率，其中刀具的切削力與切削深度的關(guān)系式如下：

式中：Rd為刀具寬度，mm；Sz為刀具每齒進(jìn)給量，mm/t；Z為刀具刃數(shù)；K為切削對(duì)象的材料系數(shù)；D為刀具直徑，mm；Q為切削效率；N為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。通過(guò)式（1）、式（2）可看出，影響切削力大小和切削區(qū)域溫度的首要因素便是切削深度，切削深度也成為影響鋁合金車削加工熱變形的首要因素［4］。

1.2 五軸銑車復(fù)合功能轉(zhuǎn)換和有限元分析流程

在銑、車兩種切削功能交替轉(zhuǎn)換后，原來(lái)的機(jī)床、工件和刀具相互間的受力情況發(fā)生改變，容易出現(xiàn)刀具運(yùn)用、切削深度、切削寬度與切削進(jìn)給率之間不匹配，造成加工的鋁合金零件發(fā)生切削變形而報(bào)廢。因此在編制數(shù)控加工程序時(shí)設(shè)定切削參數(shù)之前，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)刀具、工件進(jìn)行網(wǎng)格密度劃分設(shè)置、切屑分離和切削過(guò)程瞬態(tài)模擬等步驟，模擬生成不同車削深度的變形量、刀具受力圖表［5］。再根據(jù)模擬分析結(jié)果選擇安全的切削參數(shù)，從而提高加工質(zhì)量和效率，圖2為五軸機(jī)床銑車加工工藝流程和ANSYS切削有限元分析的流程。

2 鋁合金電動(dòng)機(jī)殼五軸加工車削變形有限元分析及驗(yàn)證

鋁合金在切削過(guò)程中的變形除了與刀具類型、切削參數(shù)和熱膨脹等因素直接相關(guān)外，還與零件的裝夾方案、切削方式選擇和冷卻條件應(yīng)用等工藝因素有關(guān)。因此需要通過(guò)ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件，將銑車復(fù)合切削過(guò)程分解為熱傳導(dǎo)、塑性變形、黏結(jié)、摩擦化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散等5個(gè)子過(guò)程進(jìn)行相互耦合，對(duì)電動(dòng)機(jī)殼車削加工進(jìn)行有限元分析，為切削參數(shù)的合理選擇提供依據(jù)［6］。

2.1 刀具和鋁合金工件材料屬性設(shè)置

在對(duì)鋁合金加工變形進(jìn)行分析時(shí)，必須充分考慮每個(gè)子過(guò)程各因素的相互作用，因此除了刀具和鋁合金工件材料動(dòng)力學(xué)屬性如彈性模量、泊松比、體積模量和切變模量的設(shè)置之外，更重要的是熱膨脹系數(shù)、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)等熱力學(xué)屬性的設(shè)置。通過(guò)設(shè)置將切削加工的熱力學(xué)與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)相關(guān)聯(lián)，從而模擬計(jì)算切削摩擦動(dòng)力轉(zhuǎn)化為熱能的物理量及鋁合金變形的趨勢(shì)演變進(jìn)程。鋁合金的熱膨脹系數(shù)為2.32×10-51/K，硬質(zhì)合金刀具的熱膨脹系數(shù)為5.5×10-61/K。鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)為150W/（m·K），硬質(zhì)合金刀具的熱傳導(dǎo)系數(shù)為150W/（m·K），刀具與鋁合金表面的摩擦因數(shù)設(shè)為0.2，具體的設(shè)定如表1所示。其中刀具使用YW型鎢鈷硬質(zhì)合金刀具，由于刀具相對(duì)于工件材料的彈性模量通常比較大，相對(duì)于鋁合金材料的塑性變形而言刀具的變形可以忽略不計(jì)，因而在分析時(shí)將刀具設(shè)定成剛體，將鋁合金工件設(shè)定為彈塑性體。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算處理過(guò)程，將非切削區(qū)域的工件外壁部分和刀具桿長(zhǎng)部分的網(wǎng)格劃分為10mm，而對(duì)于切削區(qū)域的機(jī)殼內(nèi)壁和刀具合金刀片局部區(qū)域，則運(yùn)用ANSYS非均質(zhì)網(wǎng)格功能將網(wǎng)格尺寸密化至0.5mm進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2 鋁合金機(jī)殼銑車加工切削模擬及分析

由于切削深度是切削力大小和摩擦生熱的首要影響因素，因此在進(jìn)行加工參數(shù)設(shè)置時(shí)，先通過(guò)有限元模擬預(yù)測(cè)隨著切削深度增加鋁合金的變形趨勢(shì)，然后根據(jù)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果設(shè)定切削深度、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)。如圖3所示，當(dāng)切削深度分別設(shè)定為0.2mm和0.3mm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速均為100r/min的情況下，在刀具和工件初始溫度均為20℃的前提下，先不考慮冷卻液的作用，通過(guò)有限元模擬比較兩種切削深度下鋁合金車削加工的工件變形趨勢(shì)。

通過(guò)圖3的有限元模擬結(jié)果可以看出：當(dāng)車削深度設(shè)定為0.3mm時(shí)，如圖3（b）所示，產(chǎn)生較為明顯的鋁合金局部熱變形趨勢(shì)，而當(dāng)切削深度設(shè)定為0.2mm及以下時(shí)，鋁合金基本沒有變形趨勢(shì)。這說(shuō)明車削深度設(shè)定為0.3mm時(shí)大量的切削熱使得切削區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致刀具和鋁合金機(jī)殼內(nèi)壁的溫度升高，引起內(nèi)壁局部發(fā)生熱變形。因此從保證車削加工的精度質(zhì)量和加工效率綜合考慮，設(shè)定車刀的車削深度值為0.2mm。實(shí)際生產(chǎn)中如果增加了冷卻液連續(xù)冷卻，0.2mm則可視為安全可靠的車削深度，其他如刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)可以再相應(yīng)增加。

ANSYS軟件通過(guò)預(yù)測(cè)切削的變形量來(lái)模擬變形結(jié)果，圖4為車削深度分別設(shè)定為0.2mm和0.3mm時(shí)的變形量結(jié)果。在沒有切削液冷卻作用的前提下，車削深度值為0.2mm時(shí)的變形量最大為1.09mm，而車削深度值為0.3mm時(shí)的變形量則最大為2.54mm，進(jìn)一步印證了圖4的變形模擬結(jié)論。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)為了達(dá)到總變形量低于0.15mm的技術(shù)要求，使用乳化切削液降低摩擦因數(shù)和減少切削熱的產(chǎn)生。實(shí)踐中經(jīng)過(guò)10個(gè)以上的樣件加工驗(yàn)證，取得良好效果，切削深度0.2mm時(shí)的變形量均低于0.1mm。

通過(guò)有限元模擬切削過(guò)程鋁合金變形的趨勢(shì)進(jìn)程，不但能精準(zhǔn)設(shè)定切削用量，減少鋁合金工件的變形，同時(shí)還能通過(guò)ANSYS模擬刀具受力的時(shí)域圖進(jìn)行分析，控制機(jī)床主軸的負(fù)荷，對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)。如圖5所示，當(dāng)車削深度為0.2mm時(shí)刀具切入工件表面的瞬間，其應(yīng)力值將大幅增加，達(dá)到了900MPa以上。之后隨著工件表面切屑連續(xù)分離，進(jìn)入穩(wěn)定均勻的切屑分離狀態(tài)，擠壓和摩擦應(yīng)力呈現(xiàn)較穩(wěn)定的狀態(tài)，等效應(yīng)力值保持在550～450MPa之間。而當(dāng)車削深度0.3mm時(shí)刀具切入的瞬間應(yīng)力值將超過(guò)1 100MPa，進(jìn)入持續(xù)穩(wěn)定切削階段的應(yīng)力值也不低于550MPa。因此，切削深度0.2mm及以下時(shí)，可將等效應(yīng)力控制在1 000MPa以下，對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)。

選擇0.2mm的切削深度對(duì)電動(dòng)機(jī)殼進(jìn)行車削加工如圖6所示。在其他條件不變的情況下一天8h能加工10個(gè)以上機(jī)殼，機(jī)床的切削平穩(wěn)，加工過(guò)程穩(wěn)定，零件的表面質(zhì)量、表面粗糙度達(dá)到加工要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)用五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)鋁合金電動(dòng)機(jī)殼切削過(guò)程的ANSYS模擬分析研究，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于熱膨脹系數(shù)較大的鋁合金機(jī)殼進(jìn)行時(shí)間較長(zhǎng)的車削加工時(shí)，切削功率大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟谢谱冃?、擠壓及摩擦變形，并在瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，容易造成?nèi)壁發(fā)生熱變形和塑性變形迭加的缺陷；

2）切削深度大小直接決定了刀具和工件接觸面大小，確定了切削力大小和摩擦產(chǎn)生熱量的速率，因此切削深度成為影響五軸機(jī)床鋁合金車削加工熱變形的首要因素；

3）通過(guò)ANSYS模擬切削深度分別為0.2mm和0.3mm時(shí)的變形量比較，以及刀具受力的時(shí)域圖進(jìn)行分析，能精準(zhǔn)設(shè)定切削用量，有效減少鋁合金工件的變形。

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