趙崇科，楊 嵩

(1.廣元中核職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628003； 2.廊坊市榮祥機電設(shè)備有限公司，河北 廊坊 065000)

隨著制造業(yè)的發(fā)展及對裝備質(zhì)量與性能要求的不斷提高，鋁合金薄壁件在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)可。然而，由于大多數(shù)薄壁件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛度低，材料去除量大，所以在機械加工過程中受到切削力、切削熱及殘余應(yīng)力等因素的影響容易產(chǎn)生加工變形。高速銑削加工加工效率高，表面質(zhì)量好，是鋁合金薄壁件加工的首選。因此，研究薄壁件切削加工機理，通過切削參數(shù)優(yōu)化降低切削力和加工變形是提高薄壁件加工質(zhì)量的重要手段。

銑削實驗?zāi)軌蛲ㄟ^現(xiàn)場檢測對切削過程進(jìn)行分析，但實驗周期長，成本較高，需要投入大量的人力和物力資源。而且，受限于儀器設(shè)備的水平，無法準(zhǔn)確測量切削溫度及應(yīng)力應(yīng)變等變量的場分布。有限元數(shù)值模擬能夠直觀地再現(xiàn)薄壁件切削加工過程，是切削加工機理研究的重要補充。近年來，研究人員在薄壁件切削加工過程預(yù)測及參數(shù)優(yōu)化等方面開展了大量的研究，并且取得了顯著的成就。岳彩旭等人[1]總結(jié)了薄壁件加工變形預(yù)測與控制的研究進(jìn)展。Izamshah等人[2]提出了一種快速預(yù)測薄壁件加工變形的方法。喬凱和舒小平[3]提出了一種薄壁件加工變形誤差預(yù)測及補償?shù)募伤惴?，實現(xiàn)了迭代計算、刀具走刀和材料去除于一體的全過程加工誤差自動計算。Jun等人[4]提出了一種減少薄壁件切削加工變形的工藝優(yōu)化算法，通過對刀具的軸向進(jìn)行分塊，以減小軸向切削深度，為了提高切削加工效率，在優(yōu)化后可適當(dāng)增大徑向切削深度。林文強等人[5]設(shè)計了一套切削力實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過控制加工工藝減小薄壁件加工誤差。

有限元法可對薄壁件高速銑削過程進(jìn)行精確預(yù)測，是實驗法的重要補充。Parida和Maity[6]對Inconel 718高溫合金切削過程進(jìn)行了二維有限元模擬，分析了不同的切削速度和進(jìn)給速度對切削過程的影響，結(jié)果表明切削力預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果的相對誤差小于5%。隨著計算能力的不斷提高，三維金屬切削有限元模擬也得到迅速發(fā)展。Ma等人[7]提出了一種新的零件級加工變形仿真方法，該方法可以在當(dāng)前主流的小型服務(wù)器或更高規(guī)格的個人計算機上實現(xiàn)。劉思濛等人[8, 9]建立了薄壁深腔零件銑削過程的三維有限元模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大預(yù)測誤差小于15 %。隨后，考慮了工件回彈現(xiàn)象，對加工誤差進(jìn)行了更加精確地預(yù)測[10]。韓振宇等人[11]采用有限元法研究了薄壁件側(cè)銑加工變形，并且基于Brent- Dekker算法和切削力實時監(jiān)測系統(tǒng)制定了進(jìn)給速度的在線優(yōu)化策略。

Al6061-T651是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金，切削加工性良好，耐腐蝕性極佳。應(yīng)用范圍廣泛，如汽車、電子、航空航天及兵器等產(chǎn)品。其化學(xué)成分為：Cu 0.15%～0.4%，Mn 0.15%，Mg 0.8%～1.2%， Zn 0.25%，Cr 0.04%～0.35%，Ti 0.15%，Si 0.4%～0.8%，F(xiàn)e 0.7%，余量為Al。本文以Al6061-T651薄壁件為研究對象，采用有限元軟件ABAQUS建立了薄壁件銑削加工三維有限元模型，通過正交實驗法研究銑削參數(shù)對加工過程的影響，擬合出了切削力、切削溫度和加工變形的經(jīng)驗公式，并且基于極差分析開展了薄壁件高速銑削參數(shù)優(yōu)化。研究對控制薄壁件加工變形，提高加工質(zhì)量具有重要意義。

1 薄壁件銑削有限元模擬及驗證

薄壁件銑削三維有限元模型如圖1所示。模型包括工件和刀具兩部分。為了提高計算效率，僅選擇切削加工區(qū)域附近的工件材料進(jìn)行建模。刀具幾何模型為螺旋立銑刀，為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，對細(xì)小的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了簡化。有限元模型與實際情況較為接近，可以較為真實的預(yù)測Al6061-T651薄壁件銑削加工過程。通過面-面接觸及接觸特性定義刀具表面與工件材料之間的接觸關(guān)系，刀具約束為剛體，并且采用位移和弧度制實現(xiàn)刀具的平移進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 Al6061-T651薄壁件銑削幾何模型

采用Johnson-Cook材料模型描述鋁合金Al6061-T651的流動應(yīng)力行為，其充分考慮了材料的應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強化和熱軟化效應(yīng)，得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，模型參數(shù)列于表1中。Al6061-T651的彈性模量為68 900 MPa，泊松比為0.33，拉伸強度為124 MPa，比熱容為271.6 J/kg℃。

表1 Al6061-T651的Johnson-Cook模型參數(shù)

采用ABAQUS/Explicit顯式求解器進(jìn)行切削過程計算，網(wǎng)格類型為C3D8RT，失效位移設(shè)定為5×10-5。此外，摩擦系數(shù)取0.3，環(huán)境溫度(室溫)設(shè)定為20 ℃。

圖2給出了數(shù)值計算過程第2步、第6步、第10步和14步中加工應(yīng)力分布云圖和已加工表面情況?？梢钥闯?，進(jìn)入穩(wěn)定切削階段后，加工應(yīng)力主要集中在刀具-工件接觸區(qū)域附近，遠(yuǎn)離加工區(qū)域的應(yīng)力場分布均勻且影響不大，表明適當(dāng)簡化工件幾何模型是合理的。已加工表明較平整且無應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 薄壁件銑削過程應(yīng)力分布預(yù)測結(jié)果

為了驗證薄壁件三維銑削有限元模擬的準(zhǔn)確性，選取3組不同主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行Al6061-T651銑削驗證實驗，取值分別為10 000 r/min、12 000 r/min和14 000 r/min，對應(yīng)實驗編號為No. 1～No. 3。銑削在日本牧野公司生產(chǎn)的立式加工中心上進(jìn)行。在實驗過程中，采用瑞士Kistler-9257 b三向壓電式測力儀對銑削過程中的切削力進(jìn)行測量。

表2列出了切削力實驗測量值和有限元模型預(yù)測值及誤差，以主切削力Fx為研究對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所建立的銑削有限元模型切削力的預(yù)測誤差在10 %以內(nèi)，證明有限元模型可以準(zhǔn)確預(yù)測鋁合金Al6061-T651薄壁件的銑削過程。

表2 主切削力測量值和預(yù)測值及誤差

2 銑削參數(shù)優(yōu)化

2.1 正交實驗分析

針對軸向切深ap、徑向切深ae、主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度f開展四因素三水平正交實驗。ap的取值范圍是1 ～2 mm，ae的范圍為0.1 ～0.3 mm，n的取值8000～12 000 r/min，f的取值為300 ～500 mm/min。表3列出了銑削參數(shù)的取值及正交試驗的因素水平設(shè)計表。

表3 正交實驗設(shè)計表

(1)切削力分析

表4列出了正交實驗主切削力的極差分析表。軸向切深ap、徑向切削深度ae、主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度f分別用A、B、C和D表示。

極差分析結(jié)果表明，軸向切深ap、徑向切深ae、主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度f對主切削力Fx影響程度的順序為ae>n>f>ap，即為BCDA。并且，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，主切削力呈現(xiàn)減小趨勢；而隨著軸向切深、徑向切深和進(jìn)給速度的增大，主切削力迅速增大。主要原因是隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高切削速度逐漸升高，每齒材料去除量減小，切削力減??；軸向切深、徑向切深和進(jìn)給速度的增大使得單位時間內(nèi)材料的去除量增加，刀具與工件的接觸面積增加，所以切削力增大。

表4 主切削力極差分析表

(2)切削溫度分析

采用與切削力相同的計算方法，極差分析結(jié)果表明，切削參數(shù)對切削溫度影響程度的順序為BACD，隨著切削用量的增大切削溫度具有升高的趨勢。這是由于隨著材料去除率的增加，切削力逐漸增大，工件材料塑性變形產(chǎn)生的熱量和刀-屑接觸區(qū)域的摩擦熱增加，未及時被切屑帶走的熱量逐漸累積，使得切削溫度呈現(xiàn)升高的趨勢。

(3)加工變形分析

采用薄壁件在幾個過程中的最大變形量為評價指標(biāo)，分析切削參數(shù)對薄壁件銑削加工變形的影響。極差分析結(jié)果表明，切削參數(shù)對Al6061-T651薄壁件加工變形影響的順序為CBDA。徑向切深ae對加工變形的影響最顯著，是由于薄壁件壁厚方向的剛性較差，ae的增加會導(dǎo)致徑向力的迅速上升，工件變形加劇并且出現(xiàn)嚴(yán)重的讓刀現(xiàn)象，使得加工尺寸精度較差。因此，薄壁件銑削加工參數(shù)選擇必須嚴(yán)格控制徑向切深，避免過大的工件變形。

2.2 經(jīng)驗公式

基于MATLAB軟件利用將上述四因素三水平實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗公式擬合，經(jīng)過計算結(jié)果得到切削力的經(jīng)驗公式為：

Fx=119.76ap0.4676ae0.5586n-0.5392f0.6837

(1)

切削溫度的經(jīng)驗公式為：

Ttool=0.0624ap0.3914ae0.3915n0.6003f0.3782

(2)

銑削加工變形的經(jīng)驗公式為：

U=2.057×1012ap0.7731ae1.5794n-3.4902f0.3153

(3)

2.3 優(yōu)化參數(shù)

基于主切削力、切削溫度和加工變形的極差分析結(jié)果和經(jīng)驗公式，以切削力最小，切削溫度最低，加工變形最小及加工效率最高為目標(biāo)選取Al6061-T651薄壁件高速銑削優(yōu)化銑削參數(shù)為：軸向切深ap=2 mm，徑向切深ae=0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，進(jìn)給速度f=500 mm/min。

采用優(yōu)化銑削參數(shù)進(jìn)行薄壁件銑削有限元模擬，圖3為工件加工變形最大值與正交實驗的加工變形結(jié)果對比。結(jié)果表明，采用優(yōu)化銑削參數(shù)進(jìn)行加工時，加工變形為0.0035 mm，比正交實驗加工變形的最小值0.005 mm減小了30%，證明了采用有限元法進(jìn)行Al6061-T651薄壁件高速銑削參數(shù)優(yōu)化的可行性和有效性。

圖3 優(yōu)化銑削參數(shù)加工變形驗證

4 結(jié)論

基于大型商業(yè)有限元軟件ABAQUS 6.14，以Al6061-T651鋁合金薄壁件為研究對象，開展了薄壁件銑削三維有限元模擬和銑削參數(shù)優(yōu)化研究，主要結(jié)論如下：

(1)建立了Al6061-T651薄壁件三維銑削有限元模型，對切削力、切削溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及切屑形態(tài)等進(jìn)行預(yù)測。驗證實驗結(jié)果表明，所建立有限元模型切削力的預(yù)測誤差在10%以內(nèi)，能夠?qū)Ρ”诩咚巽娤鬟^程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

(2)極差分析結(jié)果表明，銑削切削參數(shù)對主切削力影響程度的順序為BCDA，對切削溫度影響程度的順序為BACD，對加工變形影響的順序為CBDA。并且利用MATLAB工具箱擬合獲得了切削力、切削溫度和加工變形的經(jīng)驗公式。

(3)基于上述研究結(jié)果，選取鋁合金Al6061-T651薄壁件高速銑削優(yōu)化銑削參數(shù)為：軸向切深ap=2 mm，徑向切深ae=0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，進(jìn)給速度f=500 mm/min，驗證結(jié)果表明加工變形較正交實驗減小了30%，證明了Al6061-T651薄壁件高速銑削參數(shù)優(yōu)化的有效性。