鋁合金銑削殘余應力的研究進展

董章國

[航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，沈陽 110850]

引 言

隨著我國航空工業的飛速發展，航空用大型鋁合金整體結構件因具有強度高、自身重量輕、承載能力大及抗破壞能力強等特點而在新一代航空產品中得到廣泛應用。但由于整體結構件在銑削加工過程中普遍存在加工變形的問題，抑制乃至消除加工變形以提高整體結構件的加工精度己為大家所關注。研究表明已加工表面殘余應力對零件的使用性能有著重要的影響，殘余拉應力會降低零件的疲勞強度，而殘余壓應力卻恰恰相反，由于各部分的殘余應力分布不均勻還會使工件發生變形，影響工件的形狀精度和尺寸精度。因此，研究加工表面殘余應力對保證零件表面質量有重要意義。

一、鋁合金銑削殘余應力理論研究進展

鋁合金銑削加工產生的殘余應力是加工表面不均勻塑性變形的綜合結果。銑削過程分析殘余應力的產生機理，主要有三部分：①由銑削力引起的殘余應力，鋁合金材料在拉應力和壓應力的共同作用下產生殘余應力；②由熱引起的殘余應力，表層材料經加工升溫再冷卻至室溫，體積收縮且受到里層材料的牽拉，在加工表面產生殘余拉應力；③由相變引起的殘余應力，加工表面溫度升高至臨界點，表層鋁合金組織發生相變導致體積變化，因而產生殘余應力。了解殘余應力的產生機理有助于得到更貼合實際的仿真結果。完美模擬銑削過程的先決條件是獲得有限元建模的關鍵技術，主要包括材料的本構模型、切屑分離準則、刀具與切屑間的摩擦關系等。在對鋁合金進行銑削仿真之前，不僅要分析殘余應力的產生機理，還需根據實際情況，完成本構方程的改進，切屑分離準則及刀—屑接觸摩擦類型的選擇等工作。

二、進給速度對銑削窄槽特征結構的影響

試驗中切削速度130m/min、切削深度20μm 為恒定因素，變量為進給速度。隨著進給速度F 增大，銑削窄槽底面粗糙度均增大。這是因為進給速度的增大使銑削方向的切削力Fy 增大，從而使材料去除率增大，切出較大的切屑，導致切屑與窄槽底面磨損較大，積屑變得嚴重，使表面粗糙度增大；隨著進給速度的增大，銑削表層殘余應力也隨之增大。隨著進給速度的增大，材料去除率變大，銑削力和溫度變化增大，銑削表層遺留的殘余應力也隨之增大；銑削的窄槽底面，隨著進給速度增大，刀痕越來越平緩，邊緣毛刺變大而且窄槽底面缺損也越來越嚴重。

三、銑削參數對銑削溫度的影響

銑削溫度隨著切削速度的升高而增大，溫度從180℃增大至286℃，增加了106℃，材料內部應變率隨著切削速度的增大而增大，造成工件材料溫度也上升。銑削溫度隨著每齒進給量和銑削寬度的增加而變大，分別增大了71℃和39℃，銑削深度對銑削溫度的影響極小。

四、鋁合金銑削殘余應力仿真研究進展

有限元法（FEM）作為預測加工變形和殘余應力常用的數值方法，在如何制造出精度更高的零件這一問題上發揮了重要作用。國內外學者憑借FEM 手段在銑削殘余應力領域取得了諸多成果。從銑削刀具的角度出發，研究了切削刃形狀影響加工表面殘余應力分布的有限元模型。仿真模擬發現，隨著平均切削刃半徑的增大，表面拉伸殘余應力值和最大壓縮殘余應力值呈增大趨勢。與使用珩磨加倒角切削刃相比，平均切削刃半徑較小的切削刃可以顯著減小表層殘余應力。以切削參數為切入點，通過有限元模擬和試驗分析了刀具和工藝參數對鋁合金正交切削產生的殘余應力的影響，并在有限元模擬的基礎上進行驗證，試驗的結果與有限元仿真模擬的結果非常吻合，說明OuteiroJ.C.等提出的有限元模型適用于研究切削參數對加工殘余應力的影響。研究還指出，采用斷續切削可以限制表面殘余應力的增大。以鋁合金6061 為例，提出一種綜合建模方法來預測由銑削殘余應力引起的變形，更精確地反映了切削參數與銑削殘余應力之間的關系。首先利用響應面設計（R SD）建立了一種新的模型，可以根據不同的切削參數預測工件沿切削方向的殘余應力分布。在此基礎上，根據估算的應力分布和材料力學理論推導出撓度公式，并進行仿真分析。結果表明，該方法可以準確地估計給定切削參數下的殘余應力分布，從而有效地預測殘余應力引起的工件變形。經典有限元方法在靈活性和精度方面存在局限性，為了突破這種局限，提出了一種基于水平集的方法來定義獨立于工件網格的切削路徑。這種定義方式解決了以往仿真試驗中，切削路徑與由初始幾何形狀定義的工件網格不匹配的問題，大大提高了機翼零件的銑削仿真精度。同時采用水平集方法對模型中刀具軌跡進行定義，多次加工過程之間無需重新嚙合，節省了大量計算時間。這種方法可以用于新航空航天部件的抗畸變設計和開發，通過仿真來預測任何新概念部件的變形行為。鋁合金表面的殘余應力經過銑削加工后，會發生一定程度的重分布。

結 語

經過綜合國內外不同學者對鋁合金銑削殘余應力的有限元仿真研究成果，可以得出以下結論：控制切削過程中的一些條件，如減小切削刃幾何半徑、采用斷續切削方式、用水平集方法重新定義切削路徑等，可以有效減輕由加工殘余應力帶來的鋁合金變形問題，同時可以提高有限元仿真的準確性。從不同角度分析鋁合金的銑削殘余應力問題，可以得出不同的分析模型，因此尋求考慮更多影響因素的有限元分析方法將成為下一步研究方向。