基于CUTPRO的7075-T6鋁合金高速銑削參數優化研究

趙 慧 ，史清衛

（1.天津輕工職業技術學院，天津 300350；2.中國輕工業精密模具工程技術研究中心，天津 300350）

0 引言

鋁合金具有密度低、成形性能好、熱處理強度高等優點，在航空航天、汽車及船舶領域應用廣泛。鋁合金材料通常熔點低、塑性大，在加工過程中會出現變形及積屑瘤等問題。優化切削參數是提高鋁合金加工質量和效率的有效方法，但傳統優化方法忽略了加工系統穩定性的影響。

隨著科學技術的進步，先進的測量設備和高性能計算機被應用到金屬切削加工領域的研究中。研究人員以切削力、切削溫度、表面粗糙度及加工變形等參數為優化目標，針對鋁合金高速銑削過程開展了科學研究，在切削參數優化方面取得了顯著的成就。Y ALTINTAS等[1]改進了銑削顫振穩定性的計算公式，將切削力系數設為常數，提高了研究效率。翁澤宇等[2]建立了加工系統的三維動力學模型，并通過車削試驗驗證了模型的可行性。彭翀等[3]開發了基于Web的數控銑削顫振穩定域仿真系統，得到了參數優化的遠程仿真工具和方法，并在實際生產中得到了驗證。WANG B等[4]建立了考慮力和變形的角接觸球軸承五自由度模型和主軸-刀架-刀具連接處的分布彈簧模型，為優化加工和提高切削穩定性提供了理論依據。李鑫等[5]基于CUTPRO軟件實現了航空薄壁零件的參數優化，有效避免了刀具和機床的損壞。楊毅青等[6]基于模態試驗研究了不同進給方向和主軸位置下的穩定性。李春奇等[7]優化了空氣層壓板鉆孔中的切屑去除和毛刺參數。JIANG Z X等[8]對TC4鈦合金進行了端銑試驗，研究了金屬加工過程中的系統穩定性。韓旭[9]建立了面銑削加工系統動力學模型，利用切削動力學測試軟件CUTPRO仿真計算顫振穩定域，求得無顫振下的主軸轉速、進給速度和切削深度，為面銑削切削用量的選擇提供理論依據。CHIEN V N等[10]結合田口法和CUTPRO軟件實現了SKD61鋼硬銑削加工的多目標優化。NGUYEN H T等[11]通過槽銑削試驗確定了刀具材料配對的平均切削力系數，基于CUTPRO軟件進行了穩定性分析，結果表明在穩定切削區域內，主軸轉速和軸向切削深度是硬銑削加工的重要參數。

7075-T6屬于Al-Zn-Mg系精密加工/模具用鋁合金，抗腐蝕性能及力學性能優良，主要用于制造飛機結構及其他要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構件，如飛機上、下翼面壁板、桁條等[12,13]。7075-T6鋁合金化學成分及含量如表1所示。

表1 7075-T6鋁合金化學成分及含量 質量分數

以下基于CUTPRO9.0軟件對7075-T6鋁合金進行了高速銑削參數優化。通過錘擊試驗得到了系統的頻率響應函數，然后基于顫振穩定域選取優化參數，對切削過程進行動態仿真，最后通過銑削試驗驗證參數優化的可行性。

1 錘擊試驗

為了獲得處理系統的頻率響應函數，在立式加工中心上進行錘擊試驗。采用硬質合金立銑刀，直徑為φ10 mm，表2所示為所用刀具的相關參數。

表2 刀具參數

圖1所示為錘擊試驗裝置，組成測試系統的構件包括：MSC-1沖擊力錘；對應500 kg力傳感器；YD67型加速度計，電荷靈敏度為0.3 pC/ms-2，頻率范圍為1～18 000 Hz；四合一兩通道電荷放大器；USB接口四通道數據采集卡AD8304。

圖1 錘擊試驗裝置

在試驗過程中，排除靜電、噪聲、刀具材料的影響，以保證錘擊試驗的可靠性。錘擊試驗在加工系統的X和Y兩個正交方向上進行，每個方向需要測試5組數據。此外，試驗過程中錘擊系統將自動接收信號，可獲得加工系統在X和Y方向上的頻響函數。

2 顫振穩定域模擬

基于頻響函數對顫振穩定域進行了仿真。銑削2.5軸模塊需要設置一系列參數，包括刀具參數、毛坯參數和切削參數，必須正確選擇X和Y兩個方向的頻率響應函數。圖2所示為加工系統的顫振穩定域葉瓣圖，曲線上方為共振區，下方為穩定域，即為優化切削參數的選擇區域。

圖2 顫振穩定域葉瓣圖

圖2中“+”表示傳統切削參數（主軸轉速為8 000 r/min，切削深度為0.3 mm）的位置，“×”表示改善切削參數的位置。由圖2可以看出，初始參數也處于顫振穩定區，但加工效率較低；為了提高加工效率，主軸轉速n的取值為9 000～12 000 r/min，切削深度ap＜4 mm，表3所示為所選5組的參數值。

表3 切削參數組合

3 切削過程動態模擬

為了進一步研究銑削過程的穩定性，利用頻響函數和表2中的切削參數對銑削過程進行了動態仿真。通過分析切削用量對加工質量和加工效率的影響，確定優化切削參數。表4所示為動態模擬的結果，其中，Fy為主切削力的最大值；Rmax和Ravg分別指表面粗糙度的最大值和平均值。

表4 銑削動態仿真結果

通過數據對比可以看出，切削參數對加工系統穩定性有較大影響，說明對切削參數進行研究的必要性。結果發現，切削力、主軸功率和主軸扭矩隨切削深度ap的增大而增大，隨主軸轉速n的增大近似呈減小趨勢。第2組銑削參數和第1組相比，切削加工效率下降，但加工質量并未改善。在第3～5組銑削參數條件下的加工過程提高了加工效率，而加工質量急劇下降。

圖3所示為第1組切削參數條件下動態模擬的預測結果，切削力、刀具振動、主軸扭矩、主軸功率和表面粗糙度值較小，且變化趨勢穩定，表面粗糙度在Ra0.003 2 mm以內。因此，結合表4中的數據，選取高速銑削7075-T6鋁合金的優化切削參數為：主軸轉速n=11 950 r/min，切削深度ap=0.8 mm。

圖3 第1組切削參數條件下銑削仿真結果

4 試驗驗證

為了驗證優化切削參數的有效性，在加工中心上開展銑削試驗。表5列出了傳統和優化銑削參數的具體值。

表5 驗證試驗參數

圖4比較了2種切削參數條件下銑削的試驗結果。當主軸轉速n=8 000 r/min、軸向切深ap=0.3 mm時，完成圖4中材料去除過程需要120 s；而采用優化后的切削參數n=11 950 r/min、ap=0.8 mm時，去除相同材料花費的時間僅為40 s，加工效率提高了3倍。

圖4 試驗驗證結果

傳統銑削參數獲得的已加工表面的粗糙度為Ra0.012 1 mm，優化銑削參數條件下已加工表面粗糙度下降到Ra0.002 5 mm，表明參數優化后提高了已加工表面質量。優化銑削參數條件下已加工表面粗糙度的仿真結果與試驗測量值誤差為12%，說明采用CUTPRO進行銑削參數優化的可靠性。

此外，從圖4還可以看出，在傳統銑削參數條件下已加工表面出現大量的毛刺，而優化銑削參數后毛刺消失。因此，優化銑削參數能有效提高7075-T6鋁合金高速銑削加工效率和質量。

5 結束語

為提高7075-T6鋁合金高速銑削加工效率和加工質量，基于CUTPRO9.0進行了切削參數優化研究，得到如下結論。

（1）在機床與刀具組合的系統上進行了錘擊試驗，并通過CUTPRO9.0軟件中的MALTF傳遞函數分析模塊獲得了加工系統的頻響函數；據此，在特定切削深度條件下進行了顫振穩定域仿真，獲取了無顫振條件下的顫振穩定域葉瓣圖（主軸轉速和軸向切深關系圖）。

（2）依據顫振穩定域葉瓣圖選取5組銑削參數組合，通過銑削過程動態仿真獲得了不同銑削參數條件下切削力、刀具振動、主軸扭矩、主軸功率和表面粗糙度的預測結果。對比分析確定7075-T6鋁合金高速銑削優化切削參數為：主軸轉速n=11 950 r/min，切削深度ap=0.8 mm。

（3）試驗驗證結果表明，優化銑削參數加工效率較原來提高了3倍，已加工表面粗糙度降低了79.3%，且有效解決了7075-T6鋁合金高速銑削出現的毛刺問題。