立式銑削走刀軌跡對(duì)工件表面完整性影響的研究*

張德清, 羅磊，張澤胤

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240)

摘要：采用有限云仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)銑削過(guò)程中走刀軌跡對(duì)316L不銹鋼材料工件表面完整性的影響進(jìn)行研究分析。通過(guò)Abaqus/Explict有限元建立了三維熱-力耦合立銑模型，模擬四種不同走刀軌跡條件下的銑削加工過(guò)程，得到工件加工表面殘余應(yīng)力與塑性應(yīng)變的分布。在仿真分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的銑削加工實(shí)驗(yàn)，選定的走刀軌跡和切削參數(shù)與有限元仿真一致，并對(duì)實(shí)驗(yàn)加工得到的表面進(jìn)行表面形貌、表面硬度和表面粗糙度的測(cè)量分析。結(jié)合有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究表明，與其他走刀軌跡相比較，環(huán)切式(由外向內(nèi))走刀軌跡得到的表面完整性更為理想。

關(guān)鍵詞：走刀軌跡；表面完整性；殘余應(yīng)力；三維立銑建模

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0024-04

收稿日期：2014-11-21

基金項(xiàng)目：*國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：張德清(1989—)，男，江西宜春人，上海交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控加工工藝，(E-mail)zdq1228@yeah.net。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162；TG506

The Impact of Vertical Milling Tool-Path on the Integrity of Work Piece Surface

ZHANG De-qing, LUO Lei, ZHANG Ze-yin

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)

Abstract：The study on the impacton the integrity of work piece surface with different kinds of milling tool-paths is presented by FEM and experimental methods. Firstly, a three-dimensional thermal - mechanical milling model is built by Abaqus/Explict.Four kinds of residual stress and plastic deformation distributionof different tool-paths are analyzed. Secondly, based on the simulationresults, several milling experiments on 316L stainless steel work piece are setup and the surface hardness, roughness and surface topography are measured. With the result of FEM and experimental analysis, itis shown that the more ideal surface integrity with the contour parallel tool-path (from outside to inside)can be achieved.

Key words： tool-path; surface integrity; residual stress;three-dimensional FEM

0引言

金屬在銑削加工過(guò)程中, 采用不同加工工藝，會(huì)影響零件加工表面完整性，包括表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度、表面形貌以及表面硬度。目前針對(duì)走刀軌跡的研究主要集中于軌跡規(guī)劃方法的優(yōu)化[1],而針對(duì)不同走刀軌跡對(duì)于銑削加工表面完整性的影響規(guī)律研究較少，王立濤[2]論文中通過(guò)公式預(yù)測(cè)的銑削力對(duì)工件單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載和卸載的方式得到了四種不同走刀軌跡條件下表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，沒(méi)有考慮銑削熱的作用。目前有關(guān)銑削加工的有限元仿真分析，基本簡(jiǎn)化為二維或三維正交切削與斜切模型[3-5]，簡(jiǎn)化后的模型并不能模擬實(shí)際銑削加工過(guò)程。本文采用Abaqus/Explict有限元軟件建立一種三維熱-力耦合立銑加工模型，同時(shí)考慮銑削力與銑削熱的作用，模擬實(shí)際銑削加工過(guò)程，通過(guò)刀具的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給來(lái)切除工件表面。得到316L不銹鋼材料在四種不同走刀軌跡條件下的加工表面殘余應(yīng)力以及塑性應(yīng)變分布。同時(shí)通過(guò)銑削實(shí)驗(yàn)，測(cè)量表面幾何形貌及粗糙度和硬度。綜合有限元與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同走刀軌跡對(duì)銑削加工表面完整性的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為銑削加工走刀工藝優(yōu)化在理論上提供參考。

1銑削加工三維立銑有限元建模

銑削過(guò)程有限元模擬采用316L不銹鋼材料，刀具采用直徑為mm，長(zhǎng)度為20mm的三刃平底銑刀。材料本構(gòu)模型采用Johnson-Cook模型[6]，表達(dá)式如下：

網(wǎng)格劃分刀具設(shè)為離散剛體，以單元四邊形為主。工件網(wǎng)格選為C3D8RT，即八結(jié)點(diǎn)六面體熱耦合線(xiàn)性減縮積分單元，引入HourglassControl“沙漏控制”并設(shè)定扭曲變形系數(shù)為0.85，對(duì)切屑部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。網(wǎng)格劃分后三維有限元模型如圖1。

表1　316L不銹鋼Johnson-Cook參數(shù)

圖1　三維有限元模型

銑削加工階段，工件底面及周邊采用完全固定的邊界約束條件，刀具相對(duì)于工件做水平方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及垂直方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)工件進(jìn)行載荷的施加,運(yùn)動(dòng)方向根據(jù)不同的走刀軌跡進(jìn)行設(shè)定。應(yīng)力卸載階段，當(dāng)銑削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)刀具快速抬高并移到加工區(qū)域以外，同時(shí)去除工件的邊界約束條件。冷卻階段，通過(guò)對(duì)工件施加溫度邊界條件，讓工件逐漸冷卻到室溫環(huán)境，從而消除切削熱對(duì)材料加工應(yīng)力、應(yīng)變的影響。經(jīng)過(guò)載荷施加以及應(yīng)力卸載和冷卻后得到工件表面殘余應(yīng)力以及塑性應(yīng)變的分布。

切屑分離準(zhǔn)則采用在等效塑性應(yīng)變和應(yīng)變速率以及溫度藕合基礎(chǔ)上建立的Johnson-Cook剪切失效準(zhǔn)則[8]：

走刀軌跡選定如圖2四種方式，其中圖2a、2b、2c為三種常用走刀軌跡，而圖2d雙螺旋填充曲線(xiàn)法[10]為一種優(yōu)化走刀軌跡，該軌跡為一筆畫(huà)過(guò)程，可以有效減少加工時(shí)間和刀具進(jìn)退刀的次數(shù)。仿真過(guò)程中刀具分別按照給定的走刀軌跡對(duì)工件進(jìn)行加工，其中刀具的旋轉(zhuǎn)速度為314mm/s，進(jìn)給速度為250mm/min，銑削深度為0.4mm。

(a)單向　　　　　　　　　　　(b)往復(fù)

(c)環(huán)切(由外向內(nèi))　　　　　　　(d)雙螺旋

2表面完整性有限元仿真及實(shí)驗(yàn)分析

2.1表面殘余應(yīng)力仿真結(jié)果分析

通過(guò)以上仿真模擬得到了四種走刀軌跡條件下工件表面殘余應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。

(a)單向式表面殘余應(yīng)力分布

(b)往復(fù)式表面殘余應(yīng)力分布

(c)環(huán)切(由外向內(nèi))式表面殘余應(yīng)力分布

(d)雙螺旋式表面殘余應(yīng)力分布

圖3a為單向式銑削模式表面殘余應(yīng)力分布圖，此加工模式會(huì)出現(xiàn)多次進(jìn)退刀，造成表面兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時(shí)表面中心區(qū)域由于刀具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力不斷釋放從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，整個(gè)表面的應(yīng)力值都較大，平均分布在470~580MPa區(qū)間。圖3b為往復(fù)式銑削模式表面殘余應(yīng)力分布圖，與單向式軌跡相似，同樣存在多次進(jìn)退刀以及應(yīng)力的不斷釋放，并且應(yīng)力釋放空間較小，導(dǎo)致表面也會(huì)出現(xiàn)很多應(yīng)力集中的區(qū)域，但是相比單向式表面應(yīng)力平均值要小，集中在300~480MPa區(qū)間。圖3c為由外向內(nèi)環(huán)切式銑削表面殘余應(yīng)力分布圖，這種模式下刀具從邊緣向中心運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力有較大的釋放空間，同時(shí)沒(méi)有重復(fù)進(jìn)退刀操作，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，整個(gè)表面應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值平均分布在230~290MPa區(qū)間，圖3d為雙螺旋銑削模式表面殘余應(yīng)力分布圖，這種模式銑削效率高，只有一次進(jìn)退刀操作，但是有過(guò)多的轉(zhuǎn)向操作，且轉(zhuǎn)向位移小，應(yīng)力無(wú)法獲得足夠的釋放空間，導(dǎo)致應(yīng)力在轉(zhuǎn)向處出現(xiàn)應(yīng)力集中，整個(gè)工件表面的應(yīng)力值較大，集中在360~510MPa區(qū)間。

2.2表面加工硬化仿真結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加工硬化是由于塑性應(yīng)變引起的硬化以及熱引起的軟化造成的，在冷卻條件和切削用量比較小的情況下，塑性應(yīng)變引起的硬化占主要地位，因此塑性應(yīng)變的程度可以間接反映加工硬化情況。通過(guò)圖4可以看出，單向式與雙螺旋條件下，整個(gè)表面的塑性應(yīng)變較大，平均分布在0.5~0.55區(qū)間，這是由于單向式條件下多次進(jìn)退刀以及雙螺旋條件下轉(zhuǎn)向過(guò)多而造成表面應(yīng)力集中，進(jìn)而引起表面的加工硬化。往復(fù)式軌跡條件下，因?yàn)橹虚g區(qū)域應(yīng)力釋放空間小，殘余應(yīng)力大,因此塑性應(yīng)變主要集中在中間區(qū)域。而由外向內(nèi)環(huán)切式軌跡條件下，由于周邊區(qū)域應(yīng)力釋放空間較小,因而周邊區(qū)域的應(yīng)力較大，加工硬化更加明顯，塑性應(yīng)變值也較大，而中間區(qū)域由于應(yīng)力集中少，因此塑性變形比較均勻，平均分布在0.33~0.41區(qū)間。

(a)單向

(b)往復(fù)

(c)由外向內(nèi)環(huán)切

(d)雙螺旋

通過(guò)表面硬度測(cè)量?jī)x在工件已加工表面上選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后求取其平均值，同時(shí)求取有限元仿真得到的工件表面塑性應(yīng)變平均值，再對(duì)不同走刀軌跡條件下的表面硬度測(cè)量平均值與塑性應(yīng)變仿真結(jié)果平均值變化趨勢(shì)進(jìn)行比較如圖5所示(其中橫坐標(biāo)數(shù)字分別代表不同的走刀軌跡)。其中往復(fù)式和由外向內(nèi)環(huán)切式走刀軌跡條件下表面塑性應(yīng)變以及表面硬度值較小，往復(fù)式的平均顯微硬度值HV為272，平均塑性應(yīng)變?yōu)?.41，都為四種走刀軌跡中的最小值。而雙螺旋式走刀軌跡條件下的表面平均顯微硬度HV與塑性應(yīng)變程度最大，分別為287和0.53。同時(shí)由圖可以看出工件表面硬度與塑性應(yīng)變隨走刀軌跡的變化趨勢(shì)一致，因此也驗(yàn)證了塑性應(yīng)變有限元分析模型的可行性。

圖5　表面加工硬化隨走刀軌跡變化規(guī)律

2.3表面粗糙度實(shí)驗(yàn)分析

采用Mitutoyo表面粗糙度測(cè)量?jī)x在表面選取五個(gè)測(cè)量點(diǎn)并求取平均值，得到不同走刀軌跡條件下表面粗糙度平均值變化趨勢(shì)如圖6所示(其中橫坐標(biāo)數(shù)字分別代表不同的走刀軌跡)：由圖可以看出，單向式走刀軌跡下表面粗糙度值最大為0.35μm，而由外向內(nèi)式走刀軌跡下表面粗糙度值最小為0.29μm。這是因?yàn)閱蜗蚴阶叩盾壽E條件下應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，表面應(yīng)力較大，造成表面粗糙度偏大。而由外向內(nèi)環(huán)切式走刀軌跡條件下，應(yīng)力釋放空間大，表面應(yīng)力較小且分布均勻，因此表面粗糙度小。

圖6　表面粗糙度隨走刀軌跡變化規(guī)律

2.4表面形貌實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)表面形貌測(cè)量?jī)x得到四種走刀軌跡條件下表面形貌分布規(guī)律如圖7所示。單向式和往復(fù)式走刀軌跡表面相鄰刀具路徑之間的殘留痕跡比較明顯，殘留高度以及寬度較大，這是由于這兩種軌跡方式下走刀軌跡比較稀疏，同時(shí)表面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。由外向內(nèi)環(huán)切式走刀軌跡表面殘留痕跡也較明顯，但是殘留高度和寬度較小，整個(gè)平面較光滑。而雙螺旋式走刀軌跡由于路徑比較密集，整個(gè)表面很光滑，殘留高度小。

(a)單向

(b)往復(fù)

(c)由外向內(nèi)環(huán)切

(d)雙螺旋

3總結(jié)

(1)可以建立與實(shí)際銑削加工過(guò)程相符合的三維熱-力耦合立銑模型對(duì)銑削加工過(guò)程進(jìn)行有限元仿真模擬分析，并且同時(shí)考慮銑削力與銑削熱的作用。

(2)由外向內(nèi)環(huán)切式走刀軌跡加工得到的表面殘余應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力值相對(duì)較小。其它三種走刀軌跡由于在加工過(guò)程中多次進(jìn)退刀或者多次轉(zhuǎn)向，同時(shí)沒(méi)有足夠的空間進(jìn)行應(yīng)力釋放，從而造成表面出現(xiàn)應(yīng)力集中，整個(gè)表面應(yīng)力分布不均勻。

(3)塑性應(yīng)變仿真結(jié)果與表面硬度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果隨不同走刀軌跡的變化趨勢(shì)比較一致，說(shuō)明塑性應(yīng)變可以在一定程度上反應(yīng)表面加工硬化的程度。其中往復(fù)式與由外向內(nèi)環(huán)切式走刀軌跡的加工硬化程度相對(duì)較小，而雙螺旋軌跡加工硬化現(xiàn)象最為明顯。

(4)由外向內(nèi)環(huán)切式與雙螺旋式走刀軌跡條件下得到的加工表面粗糙度相比單向式與往復(fù)式要小，同時(shí)表面形貌也更加光滑，殘留高度更小。

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(編輯李秀敏)