5083鋁鎂合金薄壁件整體數控銑削試驗及優化

周 珂，賈曉林，張 虎，張 星，孫 華

（南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京211167）

0 引言

近十年來，鋁鎂合金材料由于其塑性好、強度高、重量輕以及具有優良的導電性、導熱性和抗腐蝕性等一系列優異的特性被廣泛地應用于航空航天制造領域中[1-3]。但由于薄壁件剛度差以及鋁鎂合金本身的特性，加工過程中極易發生變形，影響加工精度和加工質量。切削力是是金屬切削過程的一個重要過程量，它對研究切削機理、刀具的切削性能、優化切削參數都有重要指導意義[4-5]。表面粗糙度也是衡量表面質量好壞的一個重要指標，所以了解切削力和表面粗糙度的變化規律以及建立其預測模型有利于選擇正確的切削參數和提高加工精度[6]。

王兆峻等[7-9]針對薄壁零件加工時的整體變形進行了研究，考慮因素只局限于考慮了毛坯初始殘余應力，而沒有考慮切削載荷。王民等[10]綜合考慮了殘余應力、切削載荷等因素，研究了薄壁件整體變形情況，認為切削加工殘余應力的產生既與機械應力所造成的塑性變形有關。牛紅亮等[11]利用有限元分析切削力作用下側壁的彈性變形，但考慮因素僅限于切削力的作用，沒有考慮殘余應力，而且假設工件只有彈性變形而沒有塑性變形。

本文針對5083鋁鎂合金大型整體薄壁件加工過程中存在的毛坯加工余量大、加工工序多、零件受熱變形大、夾緊變形對加工精度影響顯著、加工精度難以控制、加工表面質量較差等突出問題，開展數控銑削加工試驗及工藝優化研究。

1 銑削試驗方案

1.1 試驗設備、刀具及工件材料

試驗在XK650數控機床上進行，工件材料為5083鋁鎂合金，工件尺寸為400 mm×300 mm×30 mm，刀具為瓦爾特雙刃硬質合金刀具，刀具直徑為20 mm.切削力試驗采用Kistler三向切削力測力儀、電荷放大器以及數據分析軟件，表面粗糙度采用Mahr公司的Perthometer M1表面粗糙度儀進行測量，加工后薄板的厚度（厚度的變化體現加工變形大小）通過PILOT三坐標測量儀進行測量。試驗加工后的實物如圖1所示。

圖1 試驗加工試樣實物圖

加工后要求腹板的厚度為2 mm，肋板的厚度為1.5 mm，為了便于研究銑削參數對肋板的變形影響，將加工的肋板放在工件的側邊。

1.2 試驗方案

本次試驗選取切削速度（vc）、進給量（f）、切削寬度（ae）、切削深度（ap）這四個參數作為研究對象，各因素及其水平如表1，正交試驗安排表如表2所示。

表1 四因素三水平安排表

表2 正交試驗結果表

2 試驗結果及極差分析

2.1 試驗結果

分別選擇銑削力F、肋板的表面粗糙度Ra1、腹板的表面粗糙度Ra2、肋板的厚度H1、腹板的厚度H2為研究對象，根據表2進行9組不同參數下的銑削試驗，并對其試驗結果進行極差分析，結果如表4所示。其中，Fx，Fy，Fz表示的是三向銑削力的大小；Ra1表示工件肋板側壁的表面粗糙度；Ra2表示腹板的表面粗糙度；H1表示側壁厚度；H2表示腹板厚度。分析切削力時從合力角度分析，合力F由式（1）求出：

2.2 極差分析

正交試驗結果見表3，表4所示為極差分析及其結果。

表3 正交試驗結果

表4 極差分析與優選

表4中切削力、表面粗糙度、加工變形的極差分析結果如下：

（1）影響銑削力的主要因素是切削寬度ap，銑削力最優的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為14 mm，切削寬度ap為1 mm.

（2）每齒進給量f是影響肋板側壁的表面粗糙度Ra1的主要因素，其最優的工藝條件為切削速度vc為350 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm；每齒進給量f也是腹板的表面粗糙度Ra2的主要影響因素，其最優的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為2 mm.

（3）切削寬度ap是影響工件肋板側壁的厚度H1的主要因素，其最優的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm；切削寬度ap也是影響腹板的厚度H2的主要因素，其最優的工藝條件為：切削速度vc為150 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm.

由于五個指標單獨分析出來的最優條件并不一致，必須綜合考慮影響因素的主次順序，確定出最優的工藝條件。對于因素A來說，它是所有指標的次要因素，而且有三個因素的優水平是A1，但從提高加工效率和勞動力上綜合考慮，所以因素A取A3.因素B的優水平都是B1，所以因素B取B1.對于因素C來說，它也是所有指標的次要因素，但在實際加工中，為了提高加工效率，節省加工時間和勞動力，在保證精度的同時，切削寬度盡量選比較大的，所以因素C取C1.對于因素D來說，它是銑削力F和薄板厚度主要因素，而且優水平都是D1，所以因素D取D1.

沐浴過后，紫云穿上那套連衣裙，顯得格外動人。她把蔣浩德輕輕扶起，連聲說道：“都是我不好，不該把你放在地上。”

綜上所述，本試驗的最優條件是A3 B1 C1 D1，即切削速度vc為350 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削深度ap為1 mm.

3 建立各指標的回歸方程

本次試驗利用Excel中回歸分析的數據分析工具，獲得各試驗指標的回歸方程：

（1）總銑削力：

（2）肋板的表面粗糙度：

（3）腹板的表面粗糙度：

（4）肋板的厚度：

（5）腹板的厚度：

通過分析，可以發現，各試驗指標的R2都在0.9以上，精度較高，以上得到的經驗公式可以用來進行預報5083鋁鎂合金大型整體薄壁件加工過程中的切削力、加工表面粗糙度和加工變形。

4 走刀方式的選擇

4.1 走刀策略的選擇

由第3節分析可知，最優的切削參數組合為切削速度vc為350 m/min，每齒進給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削深度ap為1 mm.利用這組最優的參數組合進行對走刀方式的單因素試驗，進行四組單因素試驗，走刀方式如圖2所示。從左往右依次是單向，跟隨部件，跟隨周邊以及往復這四種走刀方式，加工出來的實物圖如圖3所示。

圖2 四種走刀方式

圖3 不同走刀方式的實物圖

4.2 走刀方式對表面粗糙度的影響

對加工后的表面進行了表面粗糙度值的測量，每一個加工面選取五個不同的位置進行測量，取其平均值作為這個加工面的表面粗糙度值。經過測量得到單向走刀的表面粗糙度值為0.613 μm，跟隨部件走刀的表面粗糙度值為0.632 μm，跟隨周邊走刀的表面粗糙度值為0.669 μm，往復走刀的表面粗糙度值為0.648 μm.由此可見，四種方式的表面粗糙度值相差不大，單向走刀的表面粗糙度值相對較好，但是從圖3加工效果來看，單向和往復走刀方式的并不是很好，側壁的余量過多，達不到加工要求，所以初步選擇跟隨部件或者跟隨周邊的走刀方式，從加工時間上考慮，平均加工每個槽的時間跟隨部件比跟隨周邊要多一分十二秒，實際整體薄壁零件總共要加工600個左右的槽，節省到的時間可想而知。所以綜上所述，走刀方式應該選擇跟隨周邊。

5 整體5083鋁鎂合金薄壁結構件ANSYS數值模擬仿真分析

上述研究工作是對整體5083鋁鎂合金的局部進行了銑削試驗研究，下面通過有限元仿真獲得整體結構件銑削時變形情況。

根據表3中的數據，采用多元非線性回歸分析獲得5083鋁鎂合金三個方向的分銑削力Fc、Fp、Ff的回歸方程（即經驗公式）為：

（1）軸向切深對鋁鎂合金整體結構件銑削加工變形的影響。保持徑向切寬ae=3 mm、每齒進給量f=0.1 mm/z、切削速度vc=150 m/min不變，對比研究軸向切深ap分別為0.5 mm、1 mm、2 mm時的加工變形情況。根據式（2）～（4），計算出三個方向的銑削力并在ANSYS workbench中將它們加載到整體結構件之上，對應的總變形、等效應變和等效應力如圖4所示。總體形變、等效應變、等效應力數值見表5.

圖45083 鋁鎂合金薄壁筒件整體變形仿真

表5 不同軸向切深下仿真結果

（2）每齒進給量對鋁鎂合金整體結構件銑削加工變形的影響。保持軸向切深ap=1 mm、徑向切寬ae=3 mm、切削速度vc=150 m/min不變，對比研究每齒進給量f分別為0.1、0.2、0.3 mm/z時的加工變形情況。采用上述同樣的方法和步驟，仿真獲得總體形變、等效應變、等效應力數值見表6.

表6 不同進給量下仿真結果

（3）徑向切寬對鋁鎂合金整體結構件銑削加工變形的影響。保持每齒進給量f=0.1 mm/z、軸向切深ap=1 mm、切削速度vc=150 m/min不變，對比研究徑向切寬ae分別為1、2、3 mm時的加工變形情況。采用上述同樣的方法和步驟，仿真獲得總體形變、等效應變、等效應力數值見表7.

表7 不同徑向切寬下仿真結果

從表5-表7可以看出隨著軸向切深、每齒進給量或徑向切寬的增加，最大總體變形、最大等效應變和等效應力都相應增加，這說明在銑削過程中，軸向切深、徑向切寬和進給量對加工變形都有顯著影響。因此，在進行加工變形控制時，要著重考慮這些參數帶來的影響。

由圖4可以看出，薄壁零件的總體變形最大值出現在壁上的圓孔附近，且附近的數值變化幅度較大，最小值出現在底部；最大等效應變出現在薄壁零件的下半部分，最小等效應變出現在上部圓孔附近；最大等效應力出現在薄壁零件的下半部分，最小值出現在壁上的圓孔附近。

6 結論

（1）針對5083鋁鎂合金大型整體薄壁件數控銑削加工，正交試驗及極差分析表明銑削力和加工變形的主要影響因素是切削深度，肋板和腹板的表面粗糙度的主要影響因素為每齒進給量，最優的工藝參數組合為：切削速度350 m/min，每齒進給量0.05 mm/z，切削寬度10 mm，切削深度1 mm.

（2）單因素對比試驗表明，在單向、跟隨部件、跟隨周邊以及往復這四種走刀策略中，最佳的走刀方式為跟隨周邊銑削方式。

（3）通過正交試驗和多元回歸分析，建立了銑削力、表面粗糙度和加工變形的經驗公式，各經驗公式的回歸精度都在0.9以上，精度較高，可以用來進行預報。

（4）ANSYS數值模擬仿真表明，軸向切深、每齒進給量或徑向切寬的增加，最大總體變形、最大等效應變和等效應力都相應增加；薄壁零件的總體變形最大值出現在薄壁上的圓孔附近，最大等效應變和最大等效應力出現在薄壁零件的下半部分。