張生芳，孫恩灝，王國慶，馬付建，劉宇，楊大鵬，沙智華

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028) *

7075鋁合金具有強(qiáng)度高、韌性好的特點，作為主要結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道車輛及汽車制造等領(lǐng)域.由于其材料材質(zhì)較軟，線膨脹系數(shù)大，加工過程中工件在切削力和切削溫度作用下易產(chǎn)生熱變形，不僅嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量，而且對刀具使用壽命產(chǎn)生影響.通過研究切削參數(shù)對7075鋁合金高速銑削過程銑削力和溫度的影響規(guī)律，合理選取切削參數(shù)，有利于提高加工質(zhì)量節(jié)省生產(chǎn)成本.

目前針對鋁合金加工過程中切削參數(shù)對切削性能的影響問題，學(xué)者進(jìn)行了大量研究，Cai等人采用有限元模擬和單因素實驗相結(jié)合的方法，建立熱力耦合微切削模型，對6061鋁合金微銑削加工中銑削力的影響因素進(jìn)行了研究[1].Bolar等人采用全因素試驗的方法研究了2024鋁合金端銑時工藝參數(shù)對切削力和表面質(zhì)量的影響[2].Campos等人提出了一種適用于鋁合金微銑削加工的機(jī)械切削力模型，模型采用基于實驗數(shù)據(jù)的標(biāo)定方法計算特定力，并在切削參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行了驗證[3].成群林等人對7050-T745 鋁合金的高速銑削過程進(jìn)行了熱力耦合有限元模擬，發(fā)現(xiàn)切削力和切削溫度的仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)具有很好的一致性，說明熱力耦合模型在高速銑削仿真中具有很好的適用性[4].劉翹楚等人提出最大穩(wěn)定銑削面積及切削參數(shù)優(yōu)化方法，在測量鋁合金7050-T7451切削力系數(shù)后，進(jìn)行了切削參數(shù)優(yōu)化[5].

本文通過建立7075鋁合金熱力耦合三維銑削有限元仿真模型，分析銑削過程中各階段銑削力和溫度隨時間變化規(guī)律，研究不同切削參數(shù)對銑削力和溫度的影響規(guī)律，為后續(xù)優(yōu)化7075鋁合金銑削工藝提供參考.

1 7075鋁合金銑削加工熱力耦合有限元模型建立

1.1 仿真模型簡化假設(shè)條件

在實際銑削加工中，機(jī)床的動靜剛度、切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、夾具夾持部位以及冷卻方法等，任一個因素都直接影響切削狀況[6-7].加大模擬仿真的難度，因此，本文所建立的有限元仿真模型基于以下假設(shè)：

(1)忽略切削過程中由切削力引起的工件和刀具間彈性變形；

(2)忽略刀具和工件之間所發(fā)生的振動；

(3)忽略加工過程中由于溫度升高而引起的工件材料的相變及其他化學(xué)變化；

(4)工件的材料各向同性.

1.2 材料本構(gòu)模型

Power Law模型是一種描述金屬材料在大變形、高應(yīng)變率效應(yīng)和高溫條件下復(fù)雜物理特性的本構(gòu)模型，廣泛應(yīng)用于熱力耦合瞬時動態(tài)仿真中的熱彈塑性變形分析.對于7075鋁合金材料銑削過程的仿真研究具有很好的適應(yīng)性.

Power Law本構(gòu)模型的表達(dá)式為：

σ(εp,εt,T)=g(εp)Γ(εt)Θ(T)

(1)

式中，σ(εp,εt,T)是工件材料的流動應(yīng)力，g(εp)是應(yīng)變強(qiáng)化函數(shù)，Γ(εt)是應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)，Θ(T)是材料熱軟化方程.

其中，應(yīng)變強(qiáng)化函數(shù)g(εp)為：

(2)

應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)Γ(εt)為：

(3)

材料熱軟化方程為：

(4)

式中，c0～c5是由試驗擬合的多項式系數(shù)，T是溫度，Tcut是材料熱軟化效應(yīng)線性截止溫度,Tmelt是熔化溫度.

引入改進(jìn)的庫倫摩擦模型，將仿真模型中摩擦區(qū)域通過臨界剪切力判定為滑動區(qū)與粘結(jié)區(qū)，

在滑動區(qū)將刀具與工件之間的摩擦系數(shù)視作一個不變的常數(shù)，其表達(dá)為：

τc=min(μσn,τs)

(5)

其中，τc為在工件接觸面所產(chǎn)生的滑動剪切應(yīng)，σn為接觸面的正應(yīng)力，μ為刀具與工件之間的摩擦系數(shù)，本模型中取0，τs為工件材料的臨界屈服應(yīng)力，為449.5 MPa.

1.3 仿真模型參數(shù)設(shè)定

本文采用有限元分析軟件AdvantEdge建立仿真模型，工件幾何模型利用該軟件CAD模塊建立，尺寸根據(jù)每次試驗所選不同切削參數(shù)設(shè)置，寬度為切削寬度值與工件壁厚1.5 mm之和，長度為2mm，高度為切削深度值加1 mm底部余量.

刀具幾何模型通過調(diào)用軟件刀具模型庫中整體式圓柱立銑刀，刀具主要幾何參數(shù)為：直徑6mm，齒數(shù)3，前角18°，后角20°，螺旋角45°.

工件材料為7075-T651鋁合金，材料模型設(shè)置為彈塑性體，四面體單元，采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)沿刀具接觸線梯度細(xì)化，最小單元尺寸為2 μm，模型參數(shù)如下：楊氏模量為71GPa，屈服強(qiáng)度為449.5 MPa，剪切強(qiáng)度為305MPa，密度為2 810 kg/m3，應(yīng)變率為0.144m-1，熱導(dǎo)率為145 W/(m·K)，比熱容為960 J/(kg·K)，泊松比為0.33.

刀具材料為硬質(zhì)合金(YG8類)，設(shè)定刀具為剛體，四面體單元，沿刀刃梯度細(xì)化，最小單元尺寸為1 μm，模型中主要考慮刀具與工件切削過程中摩擦與熱傳遞效應(yīng).刀具材料模型主要參數(shù)為：比熱容200 J/(kg·K)，熱導(dǎo)率79.55W/(m·K).

為了實現(xiàn)銑削加工擺線運動軌跡，將原點設(shè)置為刀具頂面幾何中心處，以工件長度方向為X軸，工件寬度方向為Y軸，刀具頂面向外為Z軸正方向建立坐標(biāo)系.對刀具約束除繞Z軸旋轉(zhuǎn)以外所有自由度，并在分析步中給刀具一個恒定角速度即為主軸轉(zhuǎn)速.對工件底面約束Y、Z方向移動自由度和繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動自由度.同時，給工件一個沿X軸負(fù)方向恒定線速度即為進(jìn)給速度.

在模型裝配好后對切削工件進(jìn)行布爾預(yù)運算，使得切削過程從滿切削負(fù)荷的位置開始，以提高運算效率，獲得比較精確的計算結(jié)果.最終建立銑削加工仿真模型如圖1所示.

圖1 銑削加工有限元分析模型

1.4 仿真模型可靠性驗證

如圖2所示，在HAAS VF5精密立式加工中心上，采用直徑為6 mm切削刃數(shù)為3的硬質(zhì)合金立銑刀對鋁合金7075-T651材料進(jìn)行切削試驗.選用Kistler 9272測力儀和5167A電荷放大器集成數(shù)采系統(tǒng)，使用切削力處理軟件Dyno Ware對實驗中切削力進(jìn)行采集記錄.

圖2 試驗系統(tǒng)

如圖3為在主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min,進(jìn)給量f=0.04 mm/tooth,切削深度ap=1 mm,切削寬度aw=1 mm切削參數(shù)下切削仿真得到切屑圖片與切削試驗中得到切屑圖片對比.

(a) 切削仿真所得切屑圖片 (b) 切削試驗中獲得切屑圖片圖3 切削仿真與切削試驗所得切屑對比

在該切削參數(shù)下切屑表現(xiàn)為片狀螺旋形，且沿刀刃螺旋角呈45°向上卷曲.由于銑削加工擺線運動軌跡，切屑加工過程中與前刀面平行流出，切屑前刀面一側(cè)受到拉應(yīng)力，而背面自由側(cè)為壓應(yīng)力，使切屑發(fā)生卷曲現(xiàn)象，而仿真中獲得切屑變形規(guī)律與此相同，說明所建立仿真模型與實際情況符合程度較高.

選取部分仿真得到切削力結(jié)果與試驗中測量的結(jié)果進(jìn)行分析比較，如表2所示，仿真模擬的切削力與試驗測得的結(jié)果最大誤差為12.1%，可滿足實際工程計算的需要，本仿真模型具有較高的可靠性.

表2 仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

2 7075鋁合金三維銑削過程仿真分析

根據(jù)前文仿真模型及參數(shù)設(shè)置，在主軸轉(zhuǎn)速n=6 366 r/min，每齒進(jìn)給量f=0.01 mm/tooth，切削深度ap=0.4 mm，切削寬度aw=0.5mm的切削參數(shù)下穩(wěn)定切削后提取切削0.01s的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.如圖4為部分時間點切屑狀態(tài)及溫度云圖，圖5為各切削分力及切削溫度隨時間變化曲線.

從仿真可以看出，切削力和切削溫度曲線呈現(xiàn)出明顯周期性斷續(xù)現(xiàn)象，選取第二次切削0.002 5～0.004 5 s時間內(nèi)進(jìn)行分析.

在0.002 5～0.003 s，刀具開始切入工件，如圖4中(a)所示，切削力隨著刀齒切入材料厚度的增加而迅速從0開始增大，此時切屑厚度較大，材料開始發(fā)生塑性變形，切屑變形產(chǎn)生大量的功和刀屑間摩擦功共同作用致使切削區(qū)域溫度快速上升.

在0.003～0.003 5 s內(nèi)，為穩(wěn)定切削狀態(tài)，如圖4中(b)所示，此時切削寬度和深度最大，工件切削區(qū)域溫度場由切削刃接觸線到已加工面呈現(xiàn)出明顯梯度下降現(xiàn)象，切屑由于較大熱塑性變形產(chǎn)生卷曲，同時切屑中積累大量切削熱，切削溫度迅速上升.隨著切削過程繼續(xù)進(jìn)行，由于金屬材料的熱軟化效應(yīng)，當(dāng)切削區(qū)域中溫度變化時，材料熱軟化、應(yīng)變強(qiáng)化與應(yīng)變率敏感效應(yīng)將會同時作用，切削力開始減小，導(dǎo)致刀具對工件做功減小，溫度降低，削弱工件材料熱軟化作用.此時切削過程到達(dá)熱力學(xué)平衡狀態(tài)，切削力和溫度在高位波動.

在0.003 5～0.004 s內(nèi)，刀具開始切出工件，如圖4中(c)所示，此時切削區(qū)域長度和切屑厚度越來越小，切削力迅速減小，工件切削區(qū)域溫度場沿刀具工件接觸線呈現(xiàn)大梯度下降，同時由于工件材料內(nèi)部熱傳遞和工件與空氣熱交換效應(yīng)，工件已加工表面溫度有明顯下降，加工區(qū)域亞表層溫度有一定程度上升.受熱塑性變形的影響，切屑呈現(xiàn)出明顯的沿刀具螺旋線方向的卷曲.隨著切削進(jìn)行，切屑攜帶大量切削熱逐步脫離工件，引起切削溫度開始大幅下降.

在0.004～0.004 5 s內(nèi)，切削動作結(jié)束，切屑拋出，切削力降為0，刀具殘余切削熱自然冷卻，切削溫度緩慢下降.

上述仿真結(jié)果分析能夠很好地表現(xiàn)出金屬切削原理中典型的銑削過程熱力學(xué)規(guī)律.因此，選取每個切削周期內(nèi)切削力和切削溫度最大值進(jìn)行分析，研究切削參數(shù)對鋁合金銑削性能的影響.

(a) 0.002 5 s

(b) 0.003 s

(c) 0.004 s圖4 切屑狀態(tài)及溫度云圖

(a) 切削分力

(b) 切削溫度圖5 各切削分力及切削溫度隨時間變化曲線

3 切削參數(shù)對銑削力和溫度的影響分析

3.1 切削深度的影響

圖6為在切削寬度1.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，每齒進(jìn)給量0.02 mm/tooth情況下切削深度從0.1～2.6 mm時切削力與溫度變化規(guī)律.

(a) 對切削力的影響

(b)對切削溫度的影響圖6 切削深度對切削力和溫度影響

隨著切削深度從0.1 mm增大到2.6 mm，Y向吃刀抗力從4.8 N增加到89.3 N；X向進(jìn)給抗力從1.1 N增加到25 N；Z向切深抗力從1.9 N增加到32 N；切削溫度變化幅度在20℃以內(nèi).據(jù)分析，隨切削深度增加，每齒切除材料體積成比例增加，對吃刀抗力影響最為顯著，進(jìn)給抗力和切深抗力次之.而切削溫度變化不大，這是因為隨切削深度增加，刀具切削刃接觸長度也隨之增加，切削過程產(chǎn)熱傳熱仍處于穩(wěn)定狀態(tài).

3.2 切削寬度的影響

圖7為在切削深度1.5 mm，主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，每齒進(jìn)給量0.03 mm/tooth情況下切削寬度從0.2～2.2 mm時切削力與溫度變化規(guī)律.

(a) 對切削力的影響

(b)對切削溫度的影響圖7 切削寬度對切削力和溫度的影響

隨著切削寬度從0.2 mm增大到2.2 mm，吃刀抗力從43.7 N增加到80.6 N；進(jìn)給抗力從21.9N增加到26 N；切深抗力從17.6 N增加到37.8 N；切削溫度從162℃增加到253℃.據(jù)分析，隨切削寬度增大，每齒切除材料長度增大，因此吃刀抗力和切深抗力增加顯著，而進(jìn)給抗力小幅增加，這是因為隨切削寬度增大，切屑厚度增大程度較小.而切削溫度增加程度由快到慢，這是由于隨切削寬度增大，每齒參與切削時間增加，切削熱積累作用明顯.

3.3 主軸轉(zhuǎn)速的影響

圖8為在切削深度1 mm，切削寬度0.5 mm，每齒進(jìn)給量0.04 mm/tooth情況下主軸轉(zhuǎn)速從2000～14 500 r/min切削力與溫度變化規(guī)律.

(a) 對切削力的影響

(b)對切削溫度的影響圖8 主軸轉(zhuǎn)速對切削力和溫度的影響

隨著主軸轉(zhuǎn)速從2000 r/min增大到14 500 r/min，在所選參數(shù)下各方向切削力變化程度在5 N以內(nèi)，切削溫度從92.8℃增加到239℃.說明在所選轉(zhuǎn)速范圍，隨著切削速度的提高，雖然材料去除效率增大，但每個切削周期克服切屑變形和摩擦所需的功不變，所需切削功不變，對銑削力無明顯影響；而隨轉(zhuǎn)速增大，實際切削時間減小，切削過程產(chǎn)熱不變散熱時間變小，使得大量切削熱積累，切削溫度明顯上升.

3.4 每齒進(jìn)給量的影響

圖9為在切削深度為0.5 mm，切削寬度為1mm主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min情況下每齒進(jìn)給量從0.005～0.08 mm/tooth時切削力與溫度變化規(guī)律.

隨著每齒進(jìn)給量從0.005 mm/tooth增大到0.08 mm/tooth，吃刀抗力從14.3 N增加到41.7N；進(jìn)給抗力從1.2 N增加到28.9 N；切深抗力從1.8 N增加到22.2 N；切削溫度從146℃增加到317℃.可以看出，每齒進(jìn)給量對于切削力和切削溫度的影響十分明顯，這是因為隨著每齒進(jìn)給量增大直接影響切除材料厚度增大，材料去除率增加，材料塑性變形所做的功與摩擦功均增大，使得切削功增加，使得切削力和溫度的產(chǎn)生顯著變化.

(a) 對切削力的影響

(b)對切削溫度的影響圖9 每齒進(jìn)給量對切削力和溫度的影響

4 結(jié)論

(1)利用有限元軟件AdvantEdge建立7075鋁合金銑削加工熱力耦合仿真模型，并通過試驗驗證仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)最大相對誤差為12.1%；

(2)根據(jù)切削力和切削溫度隨時間變化曲線分析銑削過程呈現(xiàn)出周期性斷續(xù)規(guī)律.在一個銑削周期，切削力呈現(xiàn)迅速上升-穩(wěn)定波動-緩慢下降，切削溫度呈現(xiàn)出迅速上升-穩(wěn)定波動-快速下降-緩慢下降的規(guī)律；

(3)在所選參數(shù)范圍內(nèi)，切削深度對各方向切削力影響最大，每齒進(jìn)給量次之.隨著切削深度從0.1 mm增大到2.6 mm，吃刀抗力增加84.5 N；進(jìn)給抗力增加23.9 N；切深抗力增加30.1 N.隨著每齒進(jìn)給量從0.005 mm/tooth增大到0.08mm/tooth，吃刀抗力增加27.4 N；進(jìn)給抗力增加27.7 N；切深抗力增加20.4 N.而切削寬度對吃刀抗力和切深抗力影響較大，隨著切削寬度從0.2 mm增大到2.2 mm，吃刀抗力增加36.9 N；切深抗力增加20.2 N.主軸轉(zhuǎn)速對各方向切削力影響較小，均在5 N以內(nèi)；

(4)切削溫度受每齒進(jìn)給量影響最大，隨著每齒進(jìn)給量從0.005 mm/tooth增加到0.08 mm/tooth，切削溫度從146℃增加到317℃；主軸轉(zhuǎn)速次之，隨著主軸轉(zhuǎn)速從2 000 rpm/min增加到14500rpm/min，切削溫度從92.8℃增加到239℃；切削寬度再次，隨著切削寬度從0.2 mm增加到2.2 mm，切削溫度從162℃增加到253℃；而切削深度對切削溫度影響相對較小，在20℃范圍內(nèi)波動.