航空鋁合金薄壁零件高速加工銑削力

王凌云，黃紅輝，謝志江

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航空鋁合金薄壁零件高速加工銑削力

王凌云1，黃紅輝1，謝志江2

(1. 上海工程技術大學機械工程學院，上海，200437；2. 重慶大學機械工程學院，重慶，400044)

探討銑削力三維有限元計算方法，研究航空薄壁零件高速加工切削力變化規律。基于AdvantEdge 3D銑削模塊，實現對AL7075航空鋁合金材料的銑削過程仿真加工并研究銑削力規律。預測不同切削時間下工件及刀具上的溫度分布，建立高速銑削參數對鋁合金 7075 銑削力和銑削溫度的影響曲線。通過實際銑削試驗驗證仿真結果的可靠性。研究結果表明：在銑削速度為250~1 500 m/min，切削速度大于 250 m/min時，切削力隨切削速度增加而快速下降；當切削速度大于 500 m/min時，切削力變化不大，呈微量上升趨勢；軸向力F在整個速度范圍內變化不大；高速銑削參數對鋁合金 7075 銑削力和銑削溫度的影響曲線可輔助優化切削加工參數，有助于減小切削過程中刀具的磨損，改善刀具切削狀態，提高刀具使用壽命，為預測其他材料的銑削力提供了新的有限元建模方法。

航空零件；高速加工；銑削力

航空航天鋁合金薄壁框架類零件在加工過程中極易產生彎曲、翹曲等加工變形且難以控制。切削力是引起加工變形的重要原因，減小切削力可以有效減小此類構件的加工變形，因此，開展有關切削力預測的研究對于提高薄壁框架類工件的加工精度、質量穩定性和加工效率具有重要意義。WEINERT等[1]將有限元方法用于鋁合金結構加工過程的計算分析和薄壁件周銑過程中靜態誤差的預測；LI等[2]建立了端銑仿真模型；ZAGHBANI等[3]研究了鋁合金高速干銑過程的力?溫度模型以及相關的本構模型；GUO等[4]建立了用于預測航空鋁合金薄壁件銑削變形的有限元模型。但在仿真過程中，有限元模型的網格無法進行自適應細化，因此，為獲得高精度的仿真結果，必須將網格細分，這導致在進行大尺寸薄壁件的銑削仿真時計算成本較高。利用基于工藝模擬系統的有限元分析軟件AdvantEdge3D對金屬成型過程中的材料塑性變形、刀具磨損、應力應變、切削力、切削溫度變化等過程進行數值模擬，為成型加工和機械加工提供了有價值的工藝分析數據，為優化工藝參數的選擇提供了參考。針對7075航空鋁合金高速銑削加工進行工藝方案設置，本文作者對AdvantEdge3D銑削力仿真結果進行研究，獲得單個刀齒高速加工中銑削力變化曲線，預測不同切削時間順序下工件及刀具上的溫度分布，獲得刀具前刀面和后刀面的溫度分布曲線；建立高速銑削參數對鋁合金Al 7075 銑削力和銑削溫度的影響曲線，可輔助優化切削加工參數，有助于減小切削過程中刀具的磨損，改善刀具切削狀態，提高刀具使用壽命。

1 材料模型

1.1 航空零件

從結構上看，飛機結構件壁薄，加工余量大，相對剛度較低。為了減小飛機結構件質量，進行等強度設計，往往在結構件上形成各種復雜槽腔、筋、凸臺和減輕孔等。整體結構件尺寸更大，結構更復雜壁薄，易變形，零件槽間最小距離僅為 8 mm，腹板厚度也只有 2~4 mm。筋頂形狀復雜，切削時很容易產生變形。

1.2 Al 7075的Johnson?Cook本構模型

材料本構模型用于描述材料的力學性質，表征材料變形過程中的動態響應。在材料微觀組織結構一定時，流動應力受到變形程度、變形速度及變形溫度等因素的影響非常顯著，這些因素的任何變化都會引起流動應力產生較大變動，因此，材料本構模型一般表示為流動應力與應變、應變率、溫度等變形參數之間的數學函數關系。在以塑性有限元為代表的現代塑性加工力學中，材料的流動應力作為輸入時的重要參數，其精確度也是提高理論分析可靠度的關鍵。建立材料本構模型是切削加工數值模擬的必要前提，只有建立了大變形情況下隨應變率和溫度變化的應力應變關系，才能夠準確地描述材料在切削加工過程中的塑性變形規律，繼而在確定的邊界條件和切削載荷下預測零件的變形及趨勢。

在切削過程中，工件在高溫、大應變下發生彈塑性變形，被切削材料在刀具作用下變成切屑的時間很短，而且被切削層中各處的應變、應變速率和溫度并不均勻分布，且梯度變化很大。采用Johnson?Cook模型描述材料高應變速率下的熱粘塑性變形行為，該模型認為材料在高應變速率下表現為應變硬化、應變速率硬化和熱軟化效應。Johnson?Cook模型如下[5?8]：

式中：右邊第1個括號中表達式反映材料的應變強化效應，第2個括號中表達式反映流動應力隨對數應變速率增加的關系，第3個括號中表達式反映流動應力隨溫度升高呈指數降低的關系；和r分別為參考應變速率和參考溫度；m為材料熔點；，和為材料應變強化項系數；為材料應變速率強化項系數；為材料熱軟化系數。，，，和見表1。

表1 Al 7075 Johnson?Cook 模型材料參數

1.3 材料失效準則

采用剪切失效模型實現切屑從工件分離。剪切失效模型是基于等效塑性應變在積分點的值，當損傷參數達到1時，單元即失效。失效參數定義如下：

式中：1~5為低于轉變溫度的條件下測得的實效常數；為參考應變率；為塑性應變率；為當前溫度；為熔點；為室溫。

2 銑削方案

2.1 刀具選擇

工件材料為航空鋁合金材料(Al 7075)，刀具材料為硬質合金(YG類)涂層，其力學性能如表2所示。

在試驗時選擇直徑為8 mm的圓柱形立銑刀，切削刃為2刃，幾何角度的選擇參考文獻[9]中鋁合金高速銑削立銑刀角度推薦范圍。設置刀具角度如下：前角=9°；后角=15°；刃傾角(即螺旋角)=30°[9?10]。

表2 刀具材料力學性能參數

2.2 銑削用量確定

鋁合金由于其固有材料特性，導致刀具在切削過程中常發生材料粘接等情況，影響工件加工表面質量和刀具壽命，所以，在實際加工中常采用高速切削。硬質合金立銑刀高速銑削鋁合金的銑削用量參考值如表3所示。結合機械加工工藝手冊中鋁合金高速銑削用量推薦范圍[11?12]，選擇試驗切削用量方案: 銑削速度為125，251，503和1 005 m/min；銑削深度為1 mm；每齒進給量為0.1 mm。

表3 切削用量參考值

注：為刀具直徑。

3 銑削有限元仿真

3.1 模型建立及網格劃分

采用標準建模方式與自定義功能建立工件模型，得到工件和刀具模型如圖1所示。為了獲得有效的模擬效果，必須精密劃分網格。考慮到刀具和工件之間的接觸和分離關系較復雜，采用四節點四面體單元和自適應相關性網格劃分技術來劃分工件和刀具網格，劃分后刀具和工件的網格效果如圖2所示(某些局部用高密度網格標示)，其中，工件和刀具模型的控制最小網格尺寸分別為0.05 mm和0.04 mm[13?15]。

圖1 銑削有限元模型

3.2 參數設置及求解

在仿真實驗時，工件固定，刀具作順時針旋轉和進給運動。設置仿真初始環境溫度為20 ℃，傳熱系數為0.02，摩擦因數為0.6，熱傳導系數為45 m2·s·K。刀具幾何角度按照所確定的角度選擇，銑削用量(，，p和c)按照表3中參數及分組情況進行設置。最后在AdvantEdge3D下核對數據庫中設定參數無誤后即可生成對應的.DB文件，并在模擬器中分組進行仿真 分析。

3.3 仿真結果及分析

3.3.1 切削力變化曲線

在AdvantEdge3D中計算完成后，進入通用后處理器進行仿真處理，分別得到不同銑削用量條件下(進給抗力)、(主切削力)和(切深抗力)這3個方向切削力的變化情況如圖2所示。從圖2可見：隨著刀具切入，圓弧刃上靠近直線刃的部分首先與工件接觸，此時切削力主要在向正方向上；在刀齒逐漸切入工件過程中，三向切削力逐漸增大，直到圓弧刃首先切出工件時切削力達到最大值，之后各項切削力逐漸減小；三向切削力的最大值出現在同一時刻，測得，和向的最大切削力分別為?138，?185和66 N。

1—X方向銑削力FX；2—Y方向銑削力FY；3—Z方向銑削力FZ。

對銑削試驗AdvantEdge 3D軟件仿真獲得的銑削力峰值進行整理，得到如表4所示的銑削力和圖3所示銑削力與切削速度的關系曲線。由圖3可知：當切削速度大于 250 m/min時, 切削力隨切削速度增大而快速下降；當切削速度大于 500 m/min時, 切削力變化不大，有微量上升趨勢；軸向力F在整個速度范圍內變化不大。

表4 銑削力計算結果

3.3.2 刀具應力場

刀具應力分布如圖4所示。從圖4可知：在切削過程中刀具為彈性變形，刀具上的應力集中在切削刃附近的前刀面和后刀面上，這是由于切削刃與工件接觸直接受到切削力的作用。圖4所示為某一時刻切削刃上的應力分布圖，經測量此時刻的最大應力為1 GPa。

1—X方向銑削力FX；2—Y方向銑削力FY；3—Z方向銑削力FZ。

圖4 刀齒應力分布

3.3.3 熱力耦合溫度場

圖5所示為切削區工件和切屑的溫度場云圖和等溫線圖。從圖5可以看出：與刀具前刀面接觸區的切屑溫度較高，局部區域為389℃，主要是由前刀面與工件間摩擦產生的熱。因為鋁合金7075材料具有較好的導熱性，在切削過程中產生的熱量大部分被切屑帶走，因此，已加工表面的溫度場雖分布不均勻，瞬間的溫度主要集中在274℃左右，這與切削溫度實驗結果相吻合。溫度分布主要在前后刀面與工件接觸的區域：前刀面一切屑接觸區，后刀面與己加工表面接觸區，證明切削過程中的刀一屑、刀一工件間的高速摩擦是造成切削溫度升高的主要原因之一。對于7075塑性大的材料，塑性變形功相對摩擦熱是主要影響因素。

圖5 溫度分布

4 銑削試驗

4.1 試驗準備

在進行高速銑削試驗時，選擇直徑為8 mm、螺旋角為30°的YG類2齒硬質合金立銑刀，工件的長、寬、高分別為150，75和30 mm的Al 7075鋁合金毛坯，機床為MAKINO高速立式加工中心V33。采用牧野(日本)的高速主軸，轉速為4.0×104r/min，快移速度為 20 m/min。采用瑞士Kistler 9257B型三向多功能測力儀、5070型多通道電荷放大器以及相應的數據采集與處理系統。

4.2 試驗結果及分析

通過三坐標測量儀采集實際加工過程中不同切削參數條件下切削力的變化情況，并通過Kistler 分析軟件對銑削力進行整理，得到(進給抗力)、(主切削力)、(切深抗力) 3個方向銑削力并計算銑削合力。銑削試驗測得銑削力峰值與仿真獲得的銑削力峰值對比結果見表5。

表5 切削力模擬值與實測值比較

從表5可以看出：切削速度為503 m/min時的銑削力相對誤差較大，這是因為切削試驗時工件進給導致工作臺振動，從而引起進給方向測量結果不準確；其他銑削力的相對誤差較小(在7.3％及以下)，且試驗測得結果都比仿真結果小，這是實際切削條件與仿真環境的差異所致。就切削力整體分布而言，仿真結果與實際結果較吻合，且通過合理修改仿真參數可以進一步減小仿真誤差。這表明利用AdvantEdge 3D進行銑削仿真試驗得到的切削力比較準確，切削過程仿真可靠，完全能夠部分地代替實際切削實驗。

5 結論

1)銑削力是導致工件加工變形、刀具損耗的主要因素，運用軟件模擬仿真是預測切削力的重要途徑。利用AdvantEdge 3D軟件可對7075鋁合金材料進行高速銑削試驗研究，探索銑削力仿真預測方法。通過實際切削試驗獲得切削力，仿真結果與試驗結果較吻合，驗證了仿真結果的準確性和可靠性，為預測其他材料的銑削力提供了新的建模仿真方法。通過有限元仿真可以快捷、有效地研究不同切削參數下加工材料的銑削力變化規律，將仿真獲得的不同切削參數下的銑削力進行比較、分析，可以優化切削參數，提高加工效率和加工質量。

2)隨著刀具切入，圓弧刃上靠近直線刃的部分首先與工件接觸，此時，切削力主要在向正方向上。在刀齒逐漸切入工件的過程中，三向切削力逐漸增大，直到圓弧刃首先切出工件時切削力達到最大值，之后各項切削力逐漸減小。

3) 對于銑削速度為250~1 500 m/min時的銑削7075鋁合金材料，當切削速度大于 250 m/min時, 切削力隨切削速度增大而快速下降；當切削速度大于 500 m/min時, 切削力變化不大，呈微量上升趨勢，軸向力F在整個速度范圍內變化不大。因此，在選擇加工工藝參數時，為保證切削效率和系統剛性，可以優先選取較高的切削速度。

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(編輯 陳燦華)

Milling force of aerospace aluminum alloy thin-wall parts in high-speed machining

WANG Lingyun1, HUANG Honghui1, XIAN Zhijiang2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200437, China;2. School of Mechanical Engineering, University of Chongqing, Chongqing 400044, China)

The milling force three-dimension finite element method was discussed. The cutting force variation pattern of the thin-walled aerospace components in high-speed machining was studied. The milling simulation processing of Al 7075 aerospace aluminum alloy was realized and the law of milling force was researched based on the AdvantagEdge 3D milling module. The temperature distribution of the workpiece and the tool at different cutting time sequences were predicted. Graphs of the milling force and milling temperature of the aluminum 7075 affected by the high-speed milling parameters were established. Reliability of the simulation was verified by actual test milling. The results show that when cutting velocitycis 250?1 500 m/min and the cutting speed is greater than 250 m/min, the cutting force decreases rapidly with the increase of the cutting speed. When the cutting speed is greater than 500 m/min, the cutting force changes little with a little increase. The axial forceFchanges little over the entire speed range. The temperature distribution of the workpiece and the tool at different cutting time sequences can assist to optimize machining parameters, reduce cutting process tool wear and improve the tool cutting state, and improve tool life, which provides a new method of finite element modeling to predict the milling forces of other materials.

aviation parts; high speed machining; milling force

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.010

TH161+.1

A

1672?7207(2017)07?1756?06

2016?08?29；

2016?10?22

國家自然科學基金資助項目(U1530138)；上海市教委自然科學基金資助項目(gjd-07050) (Project(U1530138) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(12ZT14) supported by the Natural Science Foundation of Shanghai Municipal Education Commission)

王凌云，教授，從事數控技術應用、先進制造技術、CAD/CAM等研究；E-mail: wanglyun16@sina.com