鄭耀輝，王 朋，劉 娜，王明海

（1．沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136；2．中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

隨著我國(guó)航空工業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)為了減輕質(zhì)量和提高強(qiáng)度，鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件以其優(yōu)異的材料特性得到廣泛使用。但由于薄壁件自身的剛度較低，在加工過程中極易產(chǎn)生加工變形，導(dǎo)致加工精度很難控制，從而影響產(chǎn)品的合格率和零件的使役性能，為了提高加工質(zhì)量就需要對(duì)切削加工過程的銑削力和銑削熱進(jìn)行控制[1-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用有限元仿真的方式來分析切削加工中已經(jīng)成為必要的輔助工具。在工藝參數(shù)優(yōu)化過程中切削仿真不僅可以精確地模擬加工過程，而且可以大大節(jié)省人力、物力資源，因此具有十分重要的意義。對(duì)于切削加工過程，文獻(xiàn)[5-6]通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論解析和進(jìn)行大量的切削試驗(yàn)，這種方法需要消耗大量的時(shí)間和成本，且對(duì)于切削加工過程中的一些參數(shù)如切削溫度等不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[7-8]利用ABAQUS對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行二維正交切削仿真，但仿真模型與實(shí)際切削過程有一定誤差，且沒有對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

利用專業(yè)有限元切削軟件對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行切削仿真，建立2D銑削有限元模型，研究切削力和切削熱的變化，并通過切削試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，并建立正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)研究切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

2 有限元模型的建立

有限元仿真模型，如圖1所示。在實(shí)際銑削過程中的，由于刀具的進(jìn)給和機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，去除的材料為深色部分，為一段弧形，且切屑厚度由厚變薄。工件材料選取材料庫(kù)中的7075-T651材料，刀具選取刀具庫(kù)中的硬質(zhì)合金刀具，刀具直徑8mm，刀尖圓弧半徑0.02mm，前角20°，后角8°。利用軟件中的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，工件和刀具網(wǎng)格劃分的最大尺寸為0.1mm，最小為0.02mm。銑削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，每齒進(jìn)給量0.1mm，銑削深度1mm，銑削寬度2mm，工件和刀具的初始溫度為20°，切削長(zhǎng)度5mm，采用干銑削的加工方式。

圖1 2D銑削仿真模型Fig.1 2D Milling Simulation Model

3 仿真結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 銑削力分析

仿真得到的銑削力隨時(shí)間變化曲線，如圖2所示。在銑削的初始階段，銑削力隨著銑刀的深入迅速增大，F(xiàn)x最大值為120N，F(xiàn)y最大值為47.7N，隨著銑削的進(jìn)行，從圖1（a）可以看出，切屑的厚度逐漸變小，導(dǎo)致Fx在達(dá)到最大值后又逐漸減小，而Fy相對(duì)較為穩(wěn)定，在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。產(chǎn)生波動(dòng)的原因：（1）在銑削過程中，由于鋁合金的熱軟化效應(yīng)，剪切區(qū)溫度升高導(dǎo)致銑削力減小，但隨著銑削力的減小，銑削熱也減小，工件發(fā)生材料硬化，銑削力隨之增大，周而復(fù)始；（2）由于軟件采用的是網(wǎng)格重畫分技術(shù)，使得在銑削過程中產(chǎn)生不連續(xù)性，導(dǎo)致銑削力產(chǎn)生波動(dòng)；（3）隨著銑削的進(jìn)行，切屑從切削層分離，也會(huì)對(duì)銑削力產(chǎn)生影響[9]。在0.0045s時(shí)Fx與Fy快速減小，表明刀具即將切出工件，在0.005s時(shí)切削力降為零，刀具切出工件。

圖2 銑削力仿真曲線Fig.2 Milling Force Simulation Curve

3.2 銑削力試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在相同工藝參數(shù)條件下進(jìn)行銑削試驗(yàn)。在立式加工中心進(jìn)行的銑削試驗(yàn)，如圖3所示。利用Kislter測(cè)力儀測(cè)量銑削過程中的銑削力。

圖3 銑削加工試驗(yàn)Fig.3 Milling Test

試驗(yàn)得到的銑削力曲線，如圖4所示。出現(xiàn)負(fù)值與測(cè)力儀坐標(biāo)系的選取有關(guān)，但不影響最終的銑削力大小。從圖中可以看出，在銑削力達(dá)到穩(wěn)定后，F(xiàn)x為103N，誤差為16.5%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定誤差，這是因?yàn)榉抡媸窃谳^為理想的環(huán)境中進(jìn)行，而試驗(yàn)過程中會(huì)受到機(jī)床和裝夾等的影響，就整體而言仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)銑削力的大小。

圖4 銑削力試驗(yàn)曲線Fig.4 Milling Force Test Curve

4 正交試驗(yàn)

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)方案，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Orthogonal Experiment Design

4.2 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果分析

得到的仿真數(shù)據(jù)，如表2所示。采用直觀分析法對(duì)仿真結(jié)果展開分析，仿真結(jié)果分析，如表3所示。（a）為Fx數(shù)據(jù)分析，（b）為Fy的數(shù)據(jù)分析。表中K1、K2、K3表示每個(gè)因素一個(gè)水平的求和，k1、k2、k3表示K1、K2、K3的平均值，R表示極差。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Simulation Results

表3 仿真結(jié)果分析Tab.3 Simulation Results Analysis（a）Fx仿真分析

從表3（a）可以看出，每齒進(jìn)給量和銑削深度對(duì)Fx影響較為顯著，因素主次為B＞C＞A＞D，因此優(yōu)選方案為B1C1A3D2，即每齒進(jìn)給量0.05mm/z，銑削深度0.5mm，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，銑削寬度2mm。

（b）Fy仿真分析

從表3（b）可以看出，每齒進(jìn)給量和銑削深度對(duì)Fy影響較為顯著，因素主次為C＞B＞A＞D，因此優(yōu)選方案為C1B1A3D2，即銑削深度0.5mm，每齒進(jìn)給量0.05mm/z，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，銑削寬度2mm。

綜上所述，選取主軸轉(zhuǎn)速6000r/min、每齒進(jìn)給量0.05mm/z、銑削深度0.5mm和銑削寬度2mm為最優(yōu)參數(shù)。

5 單工藝參數(shù)對(duì)銑削力和銑削熱的影響

為了得到單一銑削參數(shù)對(duì)銑削力和銑削熱的影響規(guī)律，采用不同的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度，每個(gè)影響因素選出三個(gè)數(shù)值，利用單因素試驗(yàn)法，進(jìn)行仿真研究，銑削工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 銑削工藝參數(shù)Tab.4 Milling Process Parameters

5.1 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響曲線，如圖5所示。

隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，X方向的銑削力基本保持不變，Y方向銑削力略微下降，因此主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響較小。

銑削力隨每齒進(jìn)給量的增大而升高。這是因?yàn)殡S著每齒進(jìn)給量的增大，刀具每轉(zhuǎn)去除的材料增多，克服工件變形阻力增大，從而導(dǎo)致Fx和Fy呈增大趨勢(shì)。

隨著銑削深度的增大銑削力隨之變大，且銑削力與銑削深度呈一定線性增長(zhǎng)關(guān)系。

隨著銑削深度的增大，X方向的銑削力增幅較大，Y方向銑削力變化較小，但均呈上升趨勢(shì)。

圖5 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響曲線Fig.5 Milling Parameters on the Milling Force Curve

根據(jù)以上分析，進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度銑削力的影響較大，主軸轉(zhuǎn)速影響較小。因此，在實(shí)際生產(chǎn)條件允許情況下，為了控制銑削力，提高加工質(zhì)量，在銑削7075鋁合金時(shí)，應(yīng)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速，較低的進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度。

5.2 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響

銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響規(guī)律曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，刀具溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高而增大，溫度從180℃增大至283℃，增加了103℃，這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速的增大，材料內(nèi)部應(yīng)變率也隨之增大，造成工件材料溫度也上漲。刀具溫度隨著進(jìn)給量和銑削寬度的增加而變大，分別增大了71.2℃和39.3℃，銑削深度對(duì)銑削溫度的影響極小。

圖6 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度影響影響曲線Fig.6 Milling Parameters on Milling Temperature Impact Curve

6 結(jié)論

通過有限元分析軟件AdvantEdge對(duì)7075-T651鋁合金的銑削過程進(jìn)行仿真和銑削試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：（1）使用的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)7075-T651的銑削力和銑削溫度，銑削力的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差為16.5%，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。（2）通過正交試驗(yàn)選出最優(yōu)的銑削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速6000r/min、每齒進(jìn)給量0.05mm/z、銑削寬度2mm、銑削深度0.5mm）和控制銑削力的最佳組合。（3）主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響較小，銑削力隨銑削深度、每齒進(jìn)給量、銑削寬度的變大而升高，因此，在實(shí)際生產(chǎn)條件允許情況下，為了控制銑削力，提高加工質(zhì)量，在銑削7075鋁合金時(shí)，應(yīng)采用大主軸轉(zhuǎn)速，小的進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度。銑削溫度隨每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和銑削寬度升高而變大，銑削深度對(duì)銑削溫度的影響極小。