基于響應(yīng)曲面法的7050鋁合金切削力預(yù)測與工藝參數(shù)優(yōu)化

□ 劉永輝 □ 楊 陽

1 長江大學(xué)文理學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院 湖北荊州 434020

2 航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司 湖北荊州 434007

1 研究背景

7050鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、氣密性好、耐腐蝕等特點(diǎn),被廣泛用于航空、航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。切削力是表征材料切削加工性能的重要參數(shù),影響切削過程中加工變形、刀具磨損等諸多方面。為了提高加工質(zhì)量,進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化,控制切削過程中的切削力非常重要[1]。因此,研究7050鋁合金切削工藝參數(shù)中的刀具前角、切削速度、切削深度對切削力的影響程度,建立切削力預(yù)測模型是非常有必要的。切削力的研究可以為刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、切削參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù),合理控制工藝參數(shù),對于提高加工精度和提高切削7050鋁合金效率有重要意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對鋁合金加工過程中切削參數(shù)對切削性能的影響問題進(jìn)行了研究。蔡明等[2]通過有限元模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了6061鋁合金加工過程中影響因素對銑削力的影響。Mali等[3]通過試驗(yàn)研究了7050鋁合金在切削過程中切削參數(shù)對切削力的影響。秦宇等[4]通過應(yīng)用ABAQUS軟件,對不同前角切削7050航空鋁合金的切削過程進(jìn)行了分析。張威[5]基于響應(yīng)曲面法,研究了硬質(zhì)合金刀具高速銑削6061鋁合金,建立硬質(zhì)合金高速銑削6061鋁合金預(yù)測模型。張繼林等[6]利用AdvantEdge軟件研究切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律,采用方差分析得出背吃刀量和進(jìn)給量對切削力的影響顯著,切削速度對切削力的影響不顯著。Huang Xianghui等[7]基于二維正交切削模型模擬了7050鋁合金的高速切削,研究刀具前角、后角、進(jìn)給量對切削力的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對切削鋁合金進(jìn)行了大量研究,分別研究了切削參數(shù)和刀具參數(shù)對切削力的影響[8-9]。但是,綜合考慮刀具前角和切削參數(shù)建立切削力預(yù)測模型的研究較少,忽略了因素之間的交互作用。筆者基于ABAQUS軟件,以7050鋁合金為研究對象,研究刀具前角、切削速度、切削深度對切削力的影響程度,并建立切削力預(yù)測模型,優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)組合,以達(dá)到提高加工效率并保證加工質(zhì)量的目的。

2 有限元網(wǎng)格模型

基于ABAQUS軟件建立硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金有限元模型,工件尺寸為10 mm×3 mm。刀具材料為硬質(zhì)合金,前角為10°,后角為7°。工件的網(wǎng)格類型選擇四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變耦合四邊形單元。網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵一步,網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響計(jì)算精度。在切削過程中,刀具刃口附近的應(yīng)力狀態(tài)最為復(fù)雜,因此對刃口周圍的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,控制最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm。二維切削的網(wǎng)格模型如圖1所示。模擬中限制工件的底部自由度和左側(cè)自由度,切削速度為8 000 mm/s,切削深度為0.1 mm。

圖1 二維切削網(wǎng)格模型

3 材料本構(gòu)模型

刀具切削鋁合金時,鋁合金在切削力作用下會發(fā)生彈塑性變形,這是一個大變形、非線性、熱力耦合的復(fù)雜物理過程。為了確保仿真的準(zhǔn)確性,必須合理選擇材料模型。Johnson Cook 材料本構(gòu)模型是一種通過計(jì)算式來反映應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度關(guān)系的模型,形式簡單而又準(zhǔn)確,考慮了各向同性強(qiáng)化定律和Von Mises屈服準(zhǔn)則,應(yīng)用較為廣泛,表達(dá)式為:

(1)

刀具材料選擇硬質(zhì)合金,由于刀具硬度遠(yuǎn)高于工件,為方便計(jì)算,將刀具視為剛體。金屬切削模擬過程中,切屑與刀具間的接觸、摩擦對切屑形成和刀具運(yùn)動有重要影響,設(shè)置刀具與工件摩擦因數(shù)為0.3,7050鋁合金Johnson Cook本構(gòu)模型參數(shù)見表1[10-11]。

表1 7050鋁合金Johnson Cook本構(gòu)模型參數(shù)

4 數(shù)值模擬過程

7050鋁合金切削過程中切屑成形過程應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知,隨著刀具的前進(jìn),切屑形態(tài)為連續(xù)帶狀切屑。

圖2 切屑成形過程應(yīng)力云圖

切削力是7050鋁合金切削分析中非常重要的參數(shù)。硬質(zhì)合金切削7050鋁合金過程的切削力變化曲線如圖3所示。由圖3可知,刀具切入鋁合金后,切削力逐漸增大,很快達(dá)到穩(wěn)定值。切削過程中刀具與鋁合金網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)會不斷分離,切削力呈現(xiàn)出一定程度的波動,但總體切削力曲線較平穩(wěn)。提取切削過程中切削力的平均值作為切削力[12-13]。

圖3 切削力變化曲線

5 切削力預(yù)測模型

為提高鋁合金切削加工效率,采用響應(yīng)曲面法建立7050鋁合金切削力預(yù)測模型,優(yōu)選出最佳切削參數(shù)。響應(yīng)曲面法是一種優(yōu)化方法,可以通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì),經(jīng)過試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù),從而構(gòu)建變量與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,從而選擇出試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)解[14]。

采用Box-Behnken法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),選擇刀具前角、切削深度、切削速度作為影響因子,以切削力最小作為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)計(jì)三因素及各因素范圍的響應(yīng)面分析試驗(yàn),共計(jì)17組。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到水平因子的擬合回歸方程為:

Y=359+23.38γ+2.25v+78.38d+1.50γv+

4.75γd+vd-35.13γ2-9.88v2-24.12d2

(2)

式中:Y為切削力;γ為刀具前角;v為切削速度;d為切削深度。

基于實(shí)際值的擬合回歸方程為:

Y=-329.62+29.02γ+0.027v+2 106.25d+

0.000 15γv+9.5γd+0.005vd-1.405γ2-

2.468×10-6v2-2 412.50d2

(3)

對擬合回歸方程方差進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。表2中,F為對回歸模型整體方差檢驗(yàn),P為置信度。當(dāng)P小于0.05時,認(rèn)為該項(xiàng)顯著。當(dāng)P小于0.01時,認(rèn)為是極顯著項(xiàng)。

表2 回歸方程方差分析

由表2可以看出,刀具前角、切削深度的P均小于0.01,均為極顯著項(xiàng)。切削速度的P大于0.05,為不顯著項(xiàng)。模型的整體P小于0.000 1,可認(rèn)為是極顯著模型。

采用回歸方程誤差統(tǒng)計(jì)分析方法,模型的復(fù)相關(guān)因數(shù)為0.997 8,修正的復(fù)相關(guān)因數(shù)為0.995 0,均大于0.99,證明該響應(yīng)面模型的擬合精度較高。

刀具前角、切削速度、切削深度任意兩因素交互作用下對切削力的影響如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)切削深度不變時,刀具前角和切削速度的三維立體圖是曲面形狀,說明這兩個因素之間存在較強(qiáng)的交互作用。同時,切削力隨刀具前角方向梯度變化明顯,而切削速度對切削力的影響較小。

圖4 交互作用下對切削力影響

當(dāng)切削速度不變時,刀具前角和切削深度間存在較強(qiáng)的交互作用,切削力隨切削深度方向梯度變化明顯,隨著切削深度的增大,切削力顯著增大。

當(dāng)?shù)毒咔敖遣蛔儠r,切削速度和切削深度的三維立體圖類似于平面形狀,這兩個因素間的交互作用不夠顯著。

綜合以上分析,在考慮工藝參數(shù)對切削力的影響規(guī)律時,不同工藝參數(shù)間會存在交互作用,單獨(dú)考慮因素對切削力的影響會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確,因此需要綜合考慮因素間交互作用的影響。

通過設(shè)定三因素的取值范圍,以最小切削力作為目標(biāo)函數(shù),經(jīng)過響應(yīng)曲面法優(yōu)選出切削7050鋁合金的最佳刀具前角和切削參數(shù)如下:刀具前角為14.8°,切削速度為5 479 mm/s,切削深度為0.2 mm,此條件下通過模型預(yù)測切削力為236.2 N。

為了檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法的可靠性,對7050鋁合金開展在最優(yōu)參數(shù)下的切削數(shù)值模擬分析,通過數(shù)值模擬得出切削力為234.5 N,與響應(yīng)曲面模型預(yù)測值之間誤差為0.7%,由此驗(yàn)證了采用響應(yīng)曲面法得出預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

筆者通過ABAQUS軟件進(jìn)行二維硬質(zhì)合金刀具高速切削7050鋁合金仿真,得出切屑形狀為連續(xù)帶狀切屑。

基于響應(yīng)曲面法,綜合考慮工藝參數(shù)對切削力的交互影響作用,建立7050鋁合金切削力預(yù)測模型,并優(yōu)選出最佳工藝參數(shù),刀具前角為14.8°,切削速度為5 479 mm/s,切削深度為0.2 mm。