7075 鋁合金超聲振動(dòng)銑削仿真研究

柴寧生，張敏良，史春光，龔楠，謝浩

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 ）

0 引言

7075 鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，具有結(jié)構(gòu)緊密，機(jī)械性能強(qiáng)，耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性能好等特點(diǎn)，在航天航空、模具加工、機(jī)械設(shè)備、工裝夾具等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[1]。但由于鋁合金薄壁件自身的剛度較低，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生加工變形，導(dǎo)致加工精度很難控制，從而影響產(chǎn)品的合格率和零件的使役性能，為了提高加工質(zhì)量就需要對(duì)切削加工過(guò)程的切削力和切削熱進(jìn)行控制[2]。

超聲振動(dòng)銑削，是在銑削加工中對(duì)刀具或工件施加超聲振動(dòng)，使銑刀和工件產(chǎn)生周期性分離的加工方式，可有效改善材料的加工性能，提高工件的加工質(zhì)量[3]。銑削過(guò)程中的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度以及主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)加工過(guò)程中的切削力、切削溫度有著明顯的影響，因此，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化選擇合適的加工參數(shù)對(duì)于提高工件的加工質(zhì)量有著重要的意義[4]。

針對(duì)超聲振動(dòng)銑削過(guò)程中切削力、切削溫度的參數(shù)優(yōu)化[5]，學(xué)者們做了大量研究。馬猛等[6]以7075 鋁合金為研究對(duì)象，殘余應(yīng)力和材料去除率為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到實(shí)際車削中的最優(yōu)切削參數(shù)；李丹等[7]建立了傳統(tǒng)銑削7075 鋁合金的銑削力模型，得到了銑削過(guò)程中各個(gè)銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律；梁爽等[8]以銑削加工過(guò)程中的表面粗糙度為研究對(duì)象，對(duì)比分析了多種參數(shù)優(yōu)化模型，證明了GA-BP 預(yù)測(cè)模型對(duì)銑削過(guò)程的表面粗糙度具有較高的預(yù)測(cè)精度；趙向陽(yáng)等[9]以材料去除率最高、表面粗糙度最低為目標(biāo)函數(shù)，采用回歸分析方法建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到了切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響規(guī)律；Zhao 等[10]以光學(xué)玻璃為研究對(duì)象，進(jìn)行了超聲振動(dòng)銑削和普通銑削，得到了銑削參數(shù)對(duì)銑削過(guò)程的影響規(guī)律，證明了超聲振動(dòng)銑削相比于普通銑削的優(yōu)異性。

本文采用AdvantEdge 仿真軟件對(duì)超聲振動(dòng)銑削7075 鋁合金的切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，使用田口法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到了最優(yōu)參數(shù)，最后以控制變量法對(duì)銑削過(guò)程中振幅、頻率以及主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力、切削溫度的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 有限元模型的建立

銑刀的形狀復(fù)雜，由多條切削刃構(gòu)成，在銑削過(guò)程中并不是全部切削刃都同時(shí)參與切削，實(shí)際參與切削的切削刃只有一條[11]。因此可將三維銑削過(guò)程簡(jiǎn)化為二維車削過(guò)程，參與切削的工件材料為一段厚度逐漸變化的切屑[12]，切削過(guò)程如圖1 所示。

圖1 切削過(guò)程Fig.1 Cutting process

采用AdvantEdge 軟件對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行二維仿真有限元分析。銑削方式為順銑，不添加切削液[13]，工件材料為7075AL-T6,刀具材料選取刀具庫(kù)里的普通硬質(zhì)合金，切削參數(shù)如表1 所示。

表1 切削參數(shù)Tab.1 Cutting parameters

2 結(jié)果分析

田口法包括正交實(shí)驗(yàn)和信噪比兩個(gè)基本工具。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)減少試驗(yàn)次數(shù)，可以有效減少試驗(yàn)成本，且正確地選擇影響因子也可以減少試驗(yàn)成本，并增加優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

選取振幅、頻率和主軸轉(zhuǎn)速為影響因子，每個(gè)影響因子取3 個(gè)水平，如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal test table

2.2 正交實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析

采用3 因素3 水平正交試驗(yàn)對(duì)7075-T6 鋁合金進(jìn)行銑削仿真試驗(yàn)，切削力和切削溫度的仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation data

不同的問(wèn)題選用不同的量作為信噪比。切削力在切削過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，切削力越大，對(duì)工件表面的沖擊越大，會(huì)導(dǎo)致工件表面質(zhì)量差和工件形變大等問(wèn)題[14]，且加工過(guò)程中過(guò)高的切削溫度同樣會(huì)導(dǎo)致表面加工質(zhì)量差，故信噪比分析中對(duì)切削力和切削溫度采用望小原則進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.3 切削力的結(jié)果分析

使用田口法對(duì)切削力進(jìn)行分析，均值響應(yīng)表和信噪比響應(yīng)表分別如表4、表5 所示。

表4 Fx 均值響應(yīng)表Tab.4 Fx mean response table

表5 Fx 信噪比響應(yīng)表Tab.5 Fx SNR response table

均值主效應(yīng)圖、信噪比主效應(yīng)圖分別如圖2、圖3 所示。

由表4、表5 可得，影響因子的信噪比為振幅（1.45）＞頻率（1.07）＞主軸轉(zhuǎn)速（0.77），3 個(gè)影響因子中振幅對(duì)切削力的影響最大，頻率次之，主軸轉(zhuǎn)速的影響最低。切削力屬于望小特性，從圖3 可得，選取信噪比中影響最顯著的兩個(gè)影響因子，以其信噪比最大值為最佳水平，即振幅和頻率的最佳水平為振幅0.006 mm、頻率40 000 Hz。從圖2可得，對(duì)切削力影響顯著性最低的主軸轉(zhuǎn)速可選數(shù)值最低為最佳水平，即以切削力望小特性分析，切削最優(yōu)參數(shù)為振幅0.006 mm、頻率40 000 Hz、主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

圖2 Fx 均值主效應(yīng)圖Fig.2 Fx mean main effect diagram

圖3 Fx 信噪比主效應(yīng)圖Fig.3 Main effect diagram of Fx signal-to-noise ratio

2.4 切削力的結(jié)果分析

采用3 因素3 水平的正交試驗(yàn)表對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，使用田口法對(duì)切削力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，均值響應(yīng)表、信噪比響應(yīng)表分別如表6、表7 所示，均值主效應(yīng)圖和信噪比主效應(yīng)圖分別如圖4、圖5 所示。

圖4 Fy 均值主效應(yīng)圖Fig.4 Main effect diagram of Fy mean

表6 Fy 均值響應(yīng)表Tab.6 Fy mean response table

表7 Fy 信噪比響應(yīng)表Tab.7 Fy SNR response table

從表6、表7 可得，三個(gè)影響因子中頻率對(duì)切削力的影響最大，主軸轉(zhuǎn)速次之，振幅的影響最小，影響因子的信噪比為頻率（1.80）＞主軸轉(zhuǎn)速（1.29）＞振幅（1.16）。從圖5 可以看出，切削力為望小特性，且信噪比都大于1，故選用3 個(gè)影響因子的信噪比最大水平為最佳水平，即最優(yōu)參數(shù)為頻率40 000 Hz、主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min、振幅0.006 mm。

圖5 Fy 信噪比主效應(yīng)圖Fig.5 Main effect diagram of Fy signal-to-noise ratio

2.5 切削溫度的結(jié)果分析

切削溫度的高低會(huì)直接影響到已加工表面的殘余應(yīng)力大小[15]。以較低切削溫度為期望特征，使用田口法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，均值響應(yīng)表、信噪比響應(yīng)表分別如表8、表9 所示，均值主效應(yīng)圖、信噪比主效應(yīng)圖分別如圖6、圖7 所示。

從表8、表9 可得，影響因子相對(duì)應(yīng)的信噪比為主軸轉(zhuǎn)速（1.82）＞振幅（0.78）＞頻率（0.34）。由圖7 可知，以信噪比最大的主軸轉(zhuǎn)速為最優(yōu)，即主軸轉(zhuǎn)速最優(yōu)水平為1 500 r/min，由圖6 可以看出，振幅和頻率選用均值最小值為最優(yōu)水平，即切削最優(yōu)參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min，振幅0.00 2mm，頻率20 000 Hz。

表8 切削溫度均值響應(yīng)表Tab.8 Mean response table of cutting temperature

表9 切削溫度信噪比響應(yīng)表Tab.9 Cutting temperature signal-to-noise ratio response table

圖6 切削溫度均值主效應(yīng)圖Fig.6 Main effect diagram of mean cutting temperature

圖7 切削溫度信噪比主效應(yīng)圖Fig.7 Main effect diagram of cutting temperature signal-to-noise ratio

3 單工藝參數(shù)的影響

3.1 振幅的影響

以單因素分析法選取振幅為0.002，0.004，0.006，0.008，0.010，0.120 mm 進(jìn)行超聲振動(dòng)銑削仿真分析，切削力和切削溫度如圖8 所示。

圖8 振幅的影響Fig.8 Effect of amplitude

從圖8 可以看出，隨著振幅的增加，切削溫度逐漸增加；切削力逐漸減小，趨于平緩；當(dāng)振幅大于0.01 mm 時(shí)，切削力開(kāi)始逐漸變大。這是因?yàn)椋曊駝?dòng)銑削具有減小切削力的特點(diǎn)，但是隨著振幅的逐漸增加，刀具對(duì)工件的沖擊力逐漸增加，直至沖擊力大于減小的切削力時(shí)，切削力隨振幅的增大逐漸升高[16]。故選用適當(dāng)?shù)恼穹欣跍p小切削力和保證較好的表面加工質(zhì)量。

3.2 頻率的影響

選取頻率為20 000，25 000，30 000，35 000，40 000，50 000 Hz，研究超聲振動(dòng)銑削過(guò)程中頻率對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 頻率的影響Fig.9 Influence of frequency

從圖9 可以看出，隨著頻率的增加，切削溫度總體上逐漸增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩；切削力隨著頻率的增加逐漸減小。在25 000～40 000 Hz 區(qū)間，切削力Fx下降了3.18 N，切削力Fy下降了2.52 N，切削溫度上升了3.94℃；40 000～50 000 Hz 區(qū)間，切削力Fx下降了2.25 N，切削力Fy下降了2.92 N；切削溫度上升了2.93℃。說(shuō)明隨著頻率的增加，超聲振動(dòng)切削降低切削力的效果逐漸明顯，但頻率的增加導(dǎo)致刀具和工件的接觸時(shí)間增加，熱量無(wú)法及時(shí)排出，因此切削溫度的升高趨勢(shì)也逐漸明顯。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速的影響

為探究超聲振動(dòng)銑削過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，保持其他參數(shù)不變，選取主軸轉(zhuǎn)速分別為1 000，2 000，3 000，3 500， 4 000，5 000 r/min 進(jìn)行探究，切削力和切削溫度的結(jié)果如圖10 所示。

圖10 主軸轉(zhuǎn)速的影響Fig.10 Influence of spindle speed

從圖10 可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在3 000～3 500 r/min 區(qū)間內(nèi)逐漸減小。這是因?yàn)樵谇邢鬟^(guò)程中，隨著熱量的產(chǎn)生與積累，切削溫度逐漸升高，導(dǎo)致工件材料發(fā)生了熱軟化效應(yīng)[17]，切除材料所需的切削力降低；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削溫度逐漸增加。

4 結(jié)論

以7075 鋁合金為研究對(duì)象，利用正交試驗(yàn)及田口法對(duì)超聲振動(dòng)銑削過(guò)程中的切削力、切削溫度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，所得最小切削力的切削參數(shù)組合為振幅0.006 mm，頻率40 000 Hz 及主軸轉(zhuǎn)速 1 500 r/min，最低切削溫度的切削參數(shù)組合為主軸轉(zhuǎn)速1 500 mm，頻率20 000 Hz 及振幅0.002 mm。以控制變量法為研究方法，研究了振幅、頻率及主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削過(guò)程中切削力、切削溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著振幅的增加，切削力先減小后增大，在振幅為0.01mm 時(shí)達(dá)到最小值；切削溫度呈增大趨勢(shì)。隨著頻率的增大，切削力持續(xù)減小，切削溫度逐漸升高，在頻率為35 000～40 000 Hz 區(qū)間內(nèi)，切削溫度的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力先減小后增大，切削溫度逐漸增大，在3 000～4 000 r/min 區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。