鋁合金高速銑削的應力研究

呂廣昱

（陜西航天導航設備有限公司，陜西 寶雞 721006）

0 引言

在現代軍工、航天等工業中，由于高速銑削具有高精度的優點，因此被大量用于加工精度極高的精密傳感器安裝平臺，但精度和效率間的矛盾一直困擾著相關業界。零件加工中的變形是生產中長期存在的技術難題，目前，加工中控制變形的相關工藝措施依舊不完善，其變形程度隨零件尺寸的增大而加劇，這種狀況嚴重制約了相關行業的發展。因而研究高速銑削加工變形的機理及相應工藝措施，對于提高我國相關工業的發展水平，不僅具有重大的理論意義和工程應用價值，而且也是提高我國制造業的迫切需要。

1 變形原理分析

機械加工中零件變形產生的原因十分復雜，而且影響因素也多種多樣，如成形方法、加工參數的選擇、材料的組織狀態、晶粒的大小與疏密程度、零件的形狀等都會對其造成影響。

金屬的切削過程實際上是：金屬材料在刀具的作用下首先發生彈性變形；隨著刀具的繼續切入，金屬內部的應力、應變不斷增大，逐漸達到材料的屈服極限，塑性變形開始主導整個變形過程，金屬晶格滑移；刀具繼續前進，當應力達到材料的斷裂強度后，切屑被從材料上擠裂、脫落［1］。切削應力主要由加工抗力和殘余應力兩部分組成。其中大部分加工抗力會隨著切屑的脫落而釋放，但仍有一部分會作用于工件造成一定程度的零件變形；同時，由于刀具對工件表面的擠壓和摩擦而使在工件表面和內部產生的加工殘余應力處于一種不穩定的狀態［2］，會在外界條件的影響下釋放，使工件的某些部位產生明顯的變形。

總體來說，因為零件的結構不同，切削應力造成的變形不會均勻發生在工件的所有部位，這種不均勻的變形最終造成工件整體上的扭曲變形。所以，控制加工中的切削應力是減少變形的有效途徑。

為了控制切削應力對工件變形的影響，本文主要針對加工參數和零件結構進行研究。

2 模擬分析

通過對銑削加工中產生的應力進行數值模擬并找出某些規律，在生產中可以實現對工件變形的控制。主要從加工參數和零件結構兩方面分析研究，再輔以對比優化，得出合理的加工參數，并在該條件下進行相關分析。

通常情況下，軋制板料存在較明顯的各向異性，即沿垂直于軋制方向上的屈服應力σ0.2大于平行軋制方向上的屈服應力［3］。所以在銑加工時，刀具的行進軌跡應盡可能地選擇與板料的軋制方向一致（如圖1 所示），這樣可以有效地減少切削應力的產生。

圖1 刀具軌跡示意圖

2.1 銑削方式的選擇

銑加工過程中，銑削深度對零件加工應力有很大的影響，所以分層多次銑削可以有效減少加工應力，具體每層切削深度可在模擬分析過程中綜合考慮變形量后對比確定。

2.2 加工模擬分析

本文主要研究在其他條件不變的情況下，不同的主軸轉速和刀具行進速度下加工應力對變形的影響。

2.2.1 模型的建立和參數的選擇

選用刀具直徑為Φ10mm 的四刃立銑刀，旋角為45°，軸向切深為2 mm；工件材料為Al3003。為減少模擬所需要的時間，本文只進行局部切削模擬，銑削加工的三維模型如圖2所示。

圖2 銑削加工的三維模型

模擬過程中作為變量的參數主要是主軸轉速，而工作臺行進速度則可通過公式（1）計算得出，詳細見表1。

其中：v 為工作臺行進速度，mm／s；fz為進刀量，mm／刃；Z 為銑刀刃數；n為主軸轉速，r／min。

表1 變量參數表

2.2.2 數字模擬

通過建立的模型，按變量參數表中的數值進行模擬分析，可得到加工中的應力值，見圖3。總結不同主軸轉速、工作臺行進速度下的模擬結果，可以得出相應的柱狀圖，如圖4所示。

圖3 銑削加工的等效應力圖

圖4 不同參數下的加工應力柱狀圖

2.3 模擬結果分析

由圖4可以發現在主軸轉速12 000r／min、工作臺進給速度40 mm／s時，加工應力出現大幅增長，該現象產生的原因主要是力學因素的作用［4］，圖5為各組參數下模擬的3個方向的最大切削力的變化規律。

圖5 3個方向下刀具最大切削力

圖6為切削示意圖。切削加工過程中，由于工作臺進給速率過大，造成單刃切削量增大，使后刀面產生法向力擠壓工件表面；隨著刀具的回轉，前刀面對切屑拉扯的作用力增大，而其沿X 向和Z 向的分力（即X向和Z 向的拉應力）增大。

因此，基于前述分析，將第3組參數中的工作臺進給速度由40mm／s降為39mm／s后，重新對加工過程進行模擬分析，切削應力由285 MPa降至260 MPa。由此可見，主軸轉速與工作臺進給速度間的協調對切削應力有很大的影響。

圖6 切削示意圖

3 結論

高速銑削加工過程中，主軸轉速與工作臺進給速度對切削應力有很大的影響，從圖4、圖5中也可以看出，單方面地提高或降低主軸轉速和工作臺進給速度并不能在控制變形的同時提高生產率。因此在加工前，利用有限元軟件對加工過程進行模擬分析，從中選取更合理的加工參數，并對之進行優化，可以在保證加工精度的前提下大幅提高加工效率。

［1］ 周華.論金屬切削過程及其物理現象［J］.科技風，2010（16）：237－238.

［2］ 陳德蘭.控制薄壁零件變形的工藝措施［J］.裝備制造技術，2010（6）：119－120.

［3］ 張德榮.在平行和垂直軋制方向上鈦板的屈服應力與R值的定量關系［J］.金屬學報，1989（6）：415－419.

［4］ Okushima K，Kakino Y.The residual stress produced by metal cutting［J］.Annals of the CIRP，1971，21（1）：3－14.