五軸銑車機床加工鋁合金變形模擬分析及應用

摘 要：針對五軸銑車復合機床加工電動汽車鋁合金電動機殼薄壁零件時容易產生鋁合金局部變形等缺陷問題，分析鋁合金電動機殼的結構特點，闡述運用五軸機床的銑、車轉換功能固定機床主軸便于安裝車刀，使用力矩電機驅動工作臺高速旋轉，將電動機殼內壁加工轉變為簡單的車削加工。應用ANSYS有限元軟件模擬分析不同車削深度時刀具與工件的摩擦生熱、塑性變形和切削受力情況，根據模擬結果合理精準選擇數控加工編程時的車削深度參數，從而減少鋁合金零件加工變形缺陷，提高薄壁鋁合金零件五軸加工的精度、質量和效率。

關鍵詞：五軸機床；銑車加工；變形模擬；車削深度；受力分析

中圖分類號：TH164" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-5276（2024）05-0058-04

Simulation Aalysis and Application of Aluminum Alloy Deformation Processed by 5-axis Milling Machine

Abstract：To address the local deformation of aluminum alloy when machining thin wall parts of aluminum alloy motor housing of electric vehicle by five-axis milling machine， analyzes the structural characteristics of aluminum alloy electric casing， elaborates the accessibility of installing turning tools by using the conversion function of milling and turning of 5-axis machine tool to fix the spindle of the machine tool， and the application of torque motor to drive the table to rotate at high speed to transform the machining of the inner wall of the electric casing into simple turning. ANSYS finite element software was used to simulate and analyze the frictional heat generation， plastic deformation and cutting force. According to the simulation results， the turning depth parameters in nc machining programming were selected reasonably and accurately， so as to reduce the machining deformation of aluminum alloy parts and improve the five-axis machining precision， quality and efficiency of thin-walled aluminum alloy parts.

Keywords：5-axis machine tool；milling lathe processing；deformation simulation；turning depth；force analysis

0 引言

隨著新能源汽車車身輕量化的需求不斷增加，越來越多的零件采用鋁合金作為結構件。鋁合金結構件硬度相對較小，熔點比鋼材低，熱膨脹系數較大，在切削加工中容易因刀具和工件之間的高速摩擦發生熱膨脹變形，造成零件在加工后報廢的情況。因此有必要運用數字化模擬分析軟件，量化模擬刀具、工件之間在加工過程的瞬時受力和變形情況，正確進行加工參數選擇。圖1（a）所示為新能源汽車電動機殼零件，針對零件復雜的結構采用圖1（b）所示的五軸機床進行加工。其中電動機殼圓筒狀的內壁形狀需要采用銑車復合加工方法。

由于機床、工件和刀具相互間的受力情況不同于正常銑削加工，如果按照傳統數控加工經驗進行切削參數設定，容易出現刀具參數、切削深度與切削進給率之間不匹配，造成零件局部熱變形及塑性變形等。為了正確設定加工參數，采用ANSYS瞬態分析模塊，研究不同車削深度的變形和受力情況，合理設定加工參數，編制更安全、更高效的數控程序［1］，具體的研究過程詳述如下。

1 鋁合金薄壁電動機殼五軸加工的方案及分析

鋁合金電動機殼內腔切削是加工過程中程序運轉時間最長的工序，由于鋁合金的熱膨脹系數較大，切削時間越長，摩擦熱和變形趨勢都會增大。因此內壁車削加工最有可能發生變形。為避免加工時工件表面變形缺陷，需要在合理制定五軸銑車復合加工裝夾方案和工藝的基礎上，應用ANSYS軟件transient structural功能，綜合各種物理因素進行切削瞬態分析，選擇合理的切削參數優化控制加工質量。

1.1 電動機殼五軸機床加工方案和熱變形分析

新能源汽車電動機殼是用于承載電動機轉子工作的關鍵零件，機殼前期采用工藝過程復雜的鋁合金低壓鑄造工藝成型，在進入數控機床加工工序前零件已經含有較高的制造成本價值。機殼外形尺寸為150mm×190mm，質量15.6kg，材質為熔點603℃的A356鋁合金，壁厚最小處僅有3mm。為保證零件側面各方向多個槽、孔等幾何特征的定位精度，需要在五軸機床上一次裝夾后加工成形。其中電動機殼內壁為表面粗糙度要求較高的回轉體幾何形狀，因此運用五軸機床的銑、車轉換功能進行車削加工。在圖1（b）所示的五軸機床主軸刀柄上安裝車刀，工作臺在力矩電機驅動下夾持工件進行高速旋轉，機床主軸成為鎖緊固定的車削刀架，車刀尖指向180°，編程時輸入刀尖偏心補償坐標。機床的5個軸分別為x、y、z 3個直線軸和A、C 2個旋轉軸。在一次裝夾中完成對機殼的內壁回轉體車削、底座和底座側面的銑削復合加工，避免了機殼在不同的機床上重復裝夾、校正和對刀產生的誤差［2］。

在鋁合金電動機殼的切削過程中，隨著刀具與工件之間摩擦熱量的產生和熱傳導的持續進行，受溫度影響的工件表面容易發生塑性變形。尤其對于熱膨脹系數較大、連續切削時間較長的鋁合金加工，鋁合金機殼表層更容易發生熱變形和塑性變形迭加的缺陷。切削過程中刀具和機殼內壁的接觸區域會產生彈性變形、塑性變形及摩擦變形，切削功率大多數將轉變為剪切滑移變形、過剩變形以及摩擦變形過程所耗的能量，并在一瞬間轉變為熱能，產生切削區域及鋁合金機殼內壁急劇升溫的現象［3］。其中切削溫度與切削量的經驗公式為

式中：T為前刀面接觸區域的平均溫度，℃；Cθ為切削溫度系數；vc為切削速度，m/min；f為進給量，mm/r；ap為切削深度，mm；xθ為切削速度對切削溫度的影響指數；yθ為進給量對切削溫度的影響指數；zθ為切削深度對切削溫度的影響指數。

由于鋁合金的熱膨脹系數較高，因此在內腔持續加工時，不斷升高的切削溫度會使工件表面膨脹變形。同時，由于切削深度大小直接決定了刀具和工件接觸面大小，更關系到加工過程的切削力大小和摩擦產生熱量的速率，其中刀具的切削力與切削深度的關系式如下：

式中：Rd為刀具寬度，mm；Sz為刀具每齒進給量，mm/t；Z為刀具刃數；K為切削對象的材料系數；D為刀具直徑，mm；Q為切削效率；N為主軸轉速，r/min。通過式（1）、式（2）可看出，影響切削力大小和切削區域溫度的首要因素便是切削深度，切削深度也成為影響鋁合金車削加工熱變形的首要因素［4］。

1.2 五軸銑車復合功能轉換和有限元分析流程

在銑、車兩種切削功能交替轉換后，原來的機床、工件和刀具相互間的受力情況發生改變，容易出現刀具運用、切削深度、切削寬度與切削進給率之間不匹配，造成加工的鋁合金零件發生切削變形而報廢。因此在編制數控加工程序時設定切削參數之前，運用ANSYS軟件對刀具、工件進行網格密度劃分設置、切屑分離和切削過程瞬態模擬等步驟，模擬生成不同車削深度的變形量、刀具受力圖表［5］。再根據模擬分析結果選擇安全的切削參數，從而提高加工質量和效率，圖2為五軸機床銑車加工工藝流程和ANSYS切削有限元分析的流程。

2 鋁合金電動機殼五軸加工車削變形有限元分析及驗證

鋁合金在切削過程中的變形除了與刀具類型、切削參數和熱膨脹等因素直接相關外，還與零件的裝夾方案、切削方式選擇和冷卻條件應用等工藝因素有關。因此需要通過ANSYS有限元數值模擬軟件，將銑車復合切削過程分解為熱傳導、塑性變形、黏結、摩擦化學反應和擴散等5個子過程進行相互耦合，對電動機殼車削加工進行有限元分析，為切削參數的合理選擇提供依據［6］。

2.1 刀具和鋁合金工件材料屬性設置

在對鋁合金加工變形進行分析時，必須充分考慮每個子過程各因素的相互作用，因此除了刀具和鋁合金工件材料動力學屬性如彈性模量、泊松比、體積模量和切變模量的設置之外，更重要的是熱膨脹系數、比熱容和熱傳導系數等熱力學屬性的設置。通過設置將切削加工的熱力學與瞬態動力學相關聯，從而模擬計算切削摩擦動力轉化為熱能的物理量及鋁合金變形的趨勢演變進程。鋁合金的熱膨脹系數為2.32×10-51/K，硬質合金刀具的熱膨脹系數為5.5×10-61/K。鋁合金的熱傳導系數為150W/（m·K），硬質合金刀具的熱傳導系數為150W/（m·K），刀具與鋁合金表面的摩擦因數設為0.2，具體的設定如表1所示。其中刀具使用YW型鎢鈷硬質合金刀具，由于刀具相對于工件材料的彈性模量通常比較大，相對于鋁合金材料的塑性變形而言刀具的變形可以忽略不計，因而在分析時將刀具設定成剛體，將鋁合金工件設定為彈塑性體。同時，為了簡化計算處理過程，將非切削區域的工件外壁部分和刀具桿長部分的網格劃分為10mm，而對于切削區域的機殼內壁和刀具合金刀片局部區域，則運用ANSYS非均質網格功能將網格尺寸密化至0.5mm進行模擬計算。

2.2 鋁合金機殼銑車加工切削模擬及分析

由于切削深度是切削力大小和摩擦生熱的首要影響因素，因此在進行加工參數設置時，先通過有限元模擬預測隨著切削深度增加鋁合金的變形趨勢，然后根據模擬預測結果設定切削深度、工作臺轉速和進給速度等參數。如圖3所示，當切削深度分別設定為0.2mm和0.3mm，工作臺轉速均為100r/min的情況下，在刀具和工件初始溫度均為20℃的前提下，先不考慮冷卻液的作用，通過有限元模擬比較兩種切削深度下鋁合金車削加工的工件變形趨勢。

通過圖3的有限元模擬結果可以看出：當車削深度設定為0.3mm時，如圖3（b）所示，產生較為明顯的鋁合金局部熱變形趨勢，而當切削深度設定為0.2mm及以下時，鋁合金基本沒有變形趨勢。這說明車削深度設定為0.3mm時大量的切削熱使得切削區域溫度升高，導致刀具和鋁合金機殼內壁的溫度升高，引起內壁局部發生熱變形。因此從保證車削加工的精度質量和加工效率綜合考慮，設定車刀的車削深度值為0.2mm。實際生產中如果增加了冷卻液連續冷卻，0.2mm則可視為安全可靠的車削深度，其他如刀具轉速和進給速度等參數可以再相應增加。

ANSYS軟件通過預測切削的變形量來模擬變形結果，圖4為車削深度分別設定為0.2mm和0.3mm時的變形量結果。在沒有切削液冷卻作用的前提下，車削深度值為0.2mm時的變形量最大為1.09mm，而車削深度值為0.3mm時的變形量則最大為2.54mm，進一步印證了圖4的變形模擬結論。實際生產時為了達到總變形量低于0.15mm的技術要求，使用乳化切削液降低摩擦因數和減少切削熱的產生。實踐中經過10個以上的樣件加工驗證，取得良好效果，切削深度0.2mm時的變形量均低于0.1mm。

通過有限元模擬切削過程鋁合金變形的趨勢進程，不但能精準設定切削用量，減少鋁合金工件的變形，同時還能通過ANSYS模擬刀具受力的時域圖進行分析，控制機床主軸的負荷，對五軸數控機床進行預防性保護。如圖5所示，當車削深度為0.2mm時刀具切入工件表面的瞬間，其應力值將大幅增加，達到了900MPa以上。之后隨著工件表面切屑連續分離，進入穩定均勻的切屑分離狀態，擠壓和摩擦應力呈現較穩定的狀態，等效應力值保持在550～450MPa之間。而當車削深度0.3mm時刀具切入的瞬間應力值將超過1 100MPa，進入持續穩定切削階段的應力值也不低于550MPa。因此，切削深度0.2mm及以下時，可將等效應力控制在1 000MPa以下，對五軸數控機床進行預防性保護。

選擇0.2mm的切削深度對電動機殼進行車削加工如圖6所示。在其他條件不變的情況下一天8h能加工10個以上機殼，機床的切削平穩，加工過程穩定，零件的表面質量、表面粗糙度達到加工要求。

3 結語

通過用五軸數控機床對鋁合金電動機殼切削過程的ANSYS模擬分析研究，得出如下結論：

1）對于熱膨脹系數較大的鋁合金機殼進行時間較長的車削加工時，切削功率大多數轉變為剪切滑移變形、擠壓及摩擦變形，并在瞬間轉變為熱能，容易造成內壁發生熱變形和塑性變形迭加的缺陷；

2）切削深度大小直接決定了刀具和工件接觸面大小，確定了切削力大小和摩擦產生熱量的速率，因此切削深度成為影響五軸機床鋁合金車削加工熱變形的首要因素；

3）通過ANSYS模擬切削深度分別為0.2mm和0.3mm時的變形量比較，以及刀具受力的時域圖進行分析，能精準設定切削用量，有效減少鋁合金工件的變形。

參考文獻：

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