王聰康 彭承明 路 冬 鐘曉宏

(南昌航空大學航空制造工程學院，江西南昌 330063)

減小加工誤差、提高零件的表面質(zhì)量是制造企業(yè)追求的目標。在航空航天制造業(yè)中，飛機上的翼肋和發(fā)動機的渦輪葉片等薄壁結構件，具有尺寸大、剛度弱、表面精度高等特征，加工中采用數(shù)控銑削成型。在這些結構件的加工中，由于其弱剛度、殘余應力、過大切削力、切削熱等因素，引起工件產(chǎn)生加工變形，極端情況甚至報廢。為了減小工件的變形，需要對航空薄壁結構件銑削加工進行深入的研究。有限元模擬能夠揭示實驗很難獲得的加工數(shù)據(jù)，如切削力、應力、變形、材料失效應力等。為此，很多做切削仿真的學者［1-5］致力于二維正交或簡單三維斜角切削加工變形對加工誤差影響的研究，而針對貼近實際的三維斜角切削過程模擬研究得很少。因此，為了更好地發(fā)揮銑削仿真機能，提高實際加工精度和切削效率，筆者采用非線性功能強大的有限元分析軟件ABAQUS6.8，綜合考慮金屬切削機理及材料物理性能，結合實驗，建立了切削力模型，研究了上層材料對下層材料切削力的影響，并對切削參數(shù)進行了優(yōu)化，有效地預測工件加工變形，提高加工質(zhì)量。

1 有限元分析模型

1.1 初始殘余應力施加

毛坯采用航空鋁合金7075-T7451為加工原件。在毛坯內(nèi)施加X向和Z向的初始殘余應力，其內(nèi)部的殘余應力分布規(guī)律如圖1所示。

1.2 三維斜角銑削模型建立

系統(tǒng)采用ABAQUS有限元分析軟件的動力、顯式分析模塊。刀具單元選取為三角形單元，網(wǎng)格尺寸為0.51 mm，單元類型為3節(jié)點三維縮減積分單元R3D3。工件網(wǎng)格采用局部網(wǎng)格技術，在應力較集中的部位采用較密的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.10 mm，在距離切削較遠的部位采用較粗大的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1.00 mm，單元類型為六面體8節(jié)點三維實體縮減積分單元C3D8R。通過有限元軟件建立的有限元銑削模型如圖2所示。

1.3 工件材料本構模型的建立

(1)材料的本構關系

本文采用 Johnson-Cook準則來描述工件材料［6］。Johnson-Cook準則常用于模擬金屬材料從低應變率到高應變率下的動態(tài)行為，該模型利用變量乘積關系分別描述應變、應變率和溫度的影響。Johnson-Cook準則具體表述為：

(2)材料的失效準則

隨著刀具的切入，當工件材料的等效塑性應變D達到1.0時，材料失效，實現(xiàn)被切單元與工件脫離。其失效準則是把每個工件單元定義為等效塑性應變：

式中：屈服應力的變化率σ*=，其中，σm為屈服應力為非應變率下的屈服應力。D(ii=1，2，3，4，5)為材料參數(shù)。

1.4 材料的熱參數(shù)

材料的熱參數(shù)包括［6］：(1)熱傳導率 Tc；(2)熱膨脹系數(shù)α；(3)比熱c。鋁合金7075-T7451的熱參數(shù)值如下表1所示。

表1 鋁合金7075-T7451材料的熱參數(shù)

2 切削加工過程模擬

本研究刀具前角αn=19°，刃傾角γ=29°，寬度設為3.8 mm，其材料性能參數(shù)如表2所示。工件尺寸為12 mm×3 mm×5 mm，材料選定為航空鋁合金7075-T7451，其主要力學性能參數(shù)如表3所示，其他性能參數(shù)見參考文獻［7］。模擬分析過程，刀具切削線速度設為V=15 mm/s，切削深度為0.5 mm，進行模擬分析計算，具體模擬過程，如圖3所示。

表2 合金刀具材料參數(shù)

表3 7075-T7451鋁合金材料的力學性能參數(shù)

3 仿真結果與分析

在工件銑削完第二刀后的表面中間沿X向邊緣分別取一系列節(jié)點，形成路徑Path-1，如圖4白線所示。

3.1 切削力仿真值分析

切削力仿真模擬值，如圖5所示為工件-刀具所受合力的力-時間圖。由圖可知，切削第一刀時切削力約為158 N，波動較?。磺邢鞯诙稌r切削力約為135 N，波動較大。切削下層材料比切削上層材料時約小23 N，原因是切削第一刀時產(chǎn)生的切削熱導致下層材料軟化，切削力減小。

3.2 工件變形分析

由路徑Path-1上的位移可知(圖6)，工件在末邊緣0～2 mm處位移較大，最大變形在加工邊緣處，約為0.12 mm，加工表面誤差度約為0.8 μm。由于加工溫度使加工表面材料軟化，受到刀具擠壓的切削力作用，使工件靠近邊緣0～2 mm處產(chǎn)生較大位移。

3.3 切屑分析

圖7為航空鋁合金7075-T7451材料有限元模擬的切屑和實驗切屑的對比，可知兩種切屑的形狀和大小都很相近，都是螺旋卷起來，直徑為1～2 mm。

3.4 切削力試驗值

為了驗證三維斜角切削數(shù)值模擬結果的精確性，本研究結合工廠常用銑削厚度的實驗值與仿真值進行比較。實驗工件材料為航空鋁合金7075-T7451，刀具采用與模擬中相同幾何角度的φ16兩齒整體硬質(zhì)合金立銑刀，螺旋角αh=30°。切削試驗是在高速精密五軸聯(lián)動米克朗UCP600 Vario數(shù)控加工中心上進行的，切削力測量采用Kistler9257B型三向壓電式測力儀。每一微段銑削保證寬度b=3 mm，銑削厚度h設為0.5 mm，測得第一刀銑削力150.94 N，與仿真值158 N的誤差度為4.68%，可見本仿真是可行的。其切削力測試系統(tǒng)如圖8所示。

4 結語

本研究所建立的航空鋁合金7075-T7451材料薄壁件銑削加工模型，通過實驗驗證，較已有的有限元模型，模擬過程更貼近工程實際，主要獲得以下規(guī)律：

(1)切削力仿真值與實驗值對比，誤差小于5%。

(2)工件變形情況 工件在末邊緣0～2 mm處位移較大，最大變形在加工邊緣處，約為0.12 mm，加工表面誤差度約為0.8 μm。

(3)上層材料對下層材料切削力的影響切削第一刀時切削力約為158 N，波動較?。磺邢鞯诙稌r切削力約為135 N，波動較大。切削下層材料比切削上層材料時約小23 N。

(4)切屑形狀與大小等規(guī)律仿真模擬切屑的大小形狀與實驗切屑都很相似，都是螺旋卷起來的，直徑為1～2 mm。

［1］O.Pantale，J.-L.Bacaria，O.Dalverny，et al.2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects［J］.Computer methods in applied mechanics and engineering，2004(193)：4383-4399.

［2］萬敏，張衛(wèi)紅.薄壁件周銑切削力建模與表面誤差預測方法研究［J］.航空學報，2005，26(5)：598-603.

［3］畢運波，柯映林，董輝躍.航空鋁合金薄壁件加工變形有限元仿真與分析［J］.浙江大學學報，2008，42(3)：397-402.

［4］董輝躍，柯映林，成群林.鋁合金三維銑削加工的有限元模擬與分析［J］. 浙江大學學報，2006，40(5)：759-762.

［5］路冬，李劍峰，融亦鳴，等.航空鋁合金7075-T745三維銑削過程的有限元仿真［J］.中國機械工程，2008，19(22)：2708-2710.

［6］G.R.Johnson，W.H.Cook，F(xiàn)racture characterist-ics of three metals subjected to various strains，strain rates，temperatures and pressu-res，Engrg.Fracture Mech，1985，21(1)：34-48.

［7］王祝堂，田榮漳.鋁合金及其加工手冊［M］.長沙：中南大學出版社，2000.