曾林林，周利平，劉小瑩

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039)

基于Deform 3D的銑削力仿真試驗(yàn)驗(yàn)證研究

曾林林，周利平，劉小瑩

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039)

銑削力是導(dǎo)致銑削加工件變形及刀具磨損的主要原因，利用有限元軟件進(jìn)行銑削加工模擬仿真是預(yù)測切削力變化的重要方法;而任何金屬切削仿真軟件分析結(jié)果都會有一定的局限性，并不能完全的模擬實(shí)際加工過程.以鋁合金高速銑削加工為研究對象，設(shè)計(jì)了其銑削方案，借助某經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算并估計(jì)主切削力大小，并利用Deform 3D銑削仿真模塊進(jìn)行模擬加工得到銑削力數(shù)據(jù)，最后通過實(shí)際銑削試驗(yàn)驗(yàn)證仿真所得數(shù)據(jù)的可靠性，為仿真試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性提供依據(jù).

銑削力;有限元仿真;Deform 3D;銑削試驗(yàn)

0 引言

Deform 3D是一款基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元分析軟件［1］，主要用于金屬成型過程中的材料塑性變形、刀具磨損、應(yīng)力應(yīng)變、切削力、切削溫度變化等過程的數(shù)值模擬，為成型加工和機(jī)械加工提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，為優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇提供參考.而任何仿真軟件的使用都具有一定的范圍和條件，同時(shí)實(shí)際加工過程中也具有許多不可測因素，此是先進(jìn)的仿真軟件也不能完全模擬的.因此，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，對于合理地使用仿真軟件具有重要意義.戚厚軍等［2］建立了銑削力有限元模型，并借助有限元軟件Deform 3D分析了高速銑削過程中擺線輪結(jié)構(gòu)件的銑削力的變化規(guī)律，莊昕等［3］采用Deform 3D有限元分析軟件，對中空框狀鋁合金6N01材料高速銑削中的變形行為和刀具摩擦磨損進(jìn)行有限元模擬，分析了加工中的熱、力分布和刀具磨損的變化規(guī)律，夏亮亮等［4］利用Deform 3D的銑削模塊，實(shí)現(xiàn)了對航空鋁合金材料(Al7075)的銑削過程仿真，并將仿真得到的銑削力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，有效地實(shí)現(xiàn)了銑削力的預(yù)測.本研究針對鋁合金高速銑削加工進(jìn)行方案設(shè)置，對Deform 3D銑削力仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證:首先利用經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)主切削力的大小，然后分組進(jìn)行模擬仿真，最后通過銑削試驗(yàn)測得切削力數(shù)據(jù)，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比.

1 銑削方案及切削力計(jì)算

1.1 刀具選擇

本研究切削力試驗(yàn)研究的工件材料為航空鋁合金材料(Al7075).實(shí)際生產(chǎn)中常用于鋁合金加工的刀具材料包括高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和聚晶金剛石等［5］，同時(shí)考慮到實(shí)際加工成本和加工效率，試驗(yàn)選擇硬質(zhì)合金(YG類)涂層為刀具材料，其力學(xué)性能如表1所示.

表1 刀具材料性能

由于球頭立銑刀良好的切削加工適應(yīng)性，常用于復(fù)雜型面的加工，因此在試驗(yàn)時(shí)本研究選擇?20 mm的圓柱形球頭立銑刀，切削刃為4刃.刀具幾何角度的選擇參考文獻(xiàn)［6］中鋁合金高速銑削立銑刀角度推薦范圍，設(shè)置刀具角度:前角γ0=10°、后角α0=13 °、刃傾角(即螺旋角)λs=30 °.

1.2 銑削用量確定

鋁合金由于其材料特性，導(dǎo)致刀具在切削過程中常發(fā)生材料粘接等情況發(fā)生，影響工件加工表面質(zhì)量和刀具壽命，所以實(shí)際加工中常采用高速切削.通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)［7］，得到硬質(zhì)合金立銑刀高速銑削鋁合金的銑削用量參考值如表2所示，并結(jié)合機(jī)械加工工藝手冊中鋁合金高速銑削用量推薦范圍，設(shè)置試驗(yàn)銑削用量方案如表3所示，其中，vf=n×z×fz，v=nπd0/(60 ×1 000).

表2 切削用量參考值

表3 銑削試驗(yàn)方案表

1.3 切削力理論計(jì)算

利用經(jīng)驗(yàn)公式對切削力進(jìn)行預(yù)先估計(jì)可以對試驗(yàn)起到指導(dǎo)作用.常用的經(jīng)驗(yàn)公式大多是將背吃刀量、進(jìn)給量及切削速度3因素作為可變量，其他因素則作為修正系數(shù)間接計(jì)算.本研究采用指數(shù)形式［9］建立主切削力經(jīng)驗(yàn)公式為，其中，CFC為工件材料和切削條件對切削力的影響系數(shù)，KFC為不同切削參數(shù)條件對主切削力的修正系數(shù)，XFC、YFC和nFC分別為背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度的指數(shù).通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)與鋁合金材料特性得到相應(yīng)系數(shù)的取值為:CFC=500，XFC=1.00，YFC=0.75，nFC= － 0.12，KFC=1.06，并結(jié)合對應(yīng)切削用量，計(jì)算出主切削力數(shù)值如表4所示.

表4 主切削力計(jì)算值

2 銑削有限元仿真

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

本研究在模型建立時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)建模方式與自定義功能建立工件模型，同時(shí)將UG中建立的刀具模型(文件格式為.stl)導(dǎo)入Deform 3D軟件中，并在Offset type中設(shè)置刀具模型初始位置為，X:-15，Y:30，Z:18，得到工件和刀具模型如圖1所示.同時(shí)，為了取得有效的模擬效果，必須要?jiǎng)澐肿銐蚓艿木W(wǎng)格，并考慮到刀具和工件之間的接觸和分離關(guān)系相對復(fù)雜，本研究采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元和自適應(yīng)相關(guān)性網(wǎng)格劃分技術(shù)來劃分工件和刀具網(wǎng)格.劃分后刀具和工件的網(wǎng)格效果如圖2所示(某些局部用高密度網(wǎng)格標(biāo)示)，其中，工件和刀具模型的控制網(wǎng)格數(shù)分別為20 000和10 000.

2.2 參數(shù)設(shè)置及求解

在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，本研究采用工件固定，刀具做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng).設(shè)置仿真初始環(huán)境溫度為20℃、傳熱系數(shù)為0.02、摩擦系數(shù)為0.6和熱傳導(dǎo)系數(shù)為45 m2·s·K.刀具幾何角度按照“1.1”項(xiàng)下所確定的角度選擇，銑削用量(v、fz、ap、ac)按照表 3 中數(shù)據(jù)及分組情況進(jìn)行設(shè)置.最后在Deform 3D下核對數(shù)據(jù)庫中設(shè)定參數(shù)無誤后即可生成對應(yīng)的.DB文件，并在模擬器中分組進(jìn)行仿真分析.

2.3 仿真結(jié)果

在Deform 3D中計(jì)算完成后，進(jìn)入通用后處理器進(jìn)行仿真處理，分別得到不同銑削用量條件下X(進(jìn)給抗力)、Y(主切削力)、Z(切深抗力)3個(gè)方向切削力的變化情況如圖3～6所示.

3 銑削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在進(jìn)行鋁合金高速銑削試驗(yàn)時(shí)，刀具選擇直徑?20 mm、螺旋角30°的YG類4齒硬質(zhì)合金球頭立銑刀，工件為長寬高分別為150 mm、75 mm、50 mm的AL7075鋁合金矩形毛坯.采用的試驗(yàn)設(shè)備包括:CNC-1270型Hartford數(shù)控銑削加工中心，瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的9257B型三向多功能測力儀，5070型多通道電荷放大器，研華科技610L型專用工況計(jì)算機(jī)等.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)，通過三坐標(biāo)測量儀采集實(shí)際加工過程中不同切削參數(shù)條件下切削力的變化情況，并通過Kistler分析軟件進(jìn)行銑削力數(shù)據(jù)整理.得到X(進(jìn)給抗力)、Y(主切削力)、Z(切深抗力)3個(gè)方向銑削力如圖7～10所示.同時(shí)，將銑削試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到如表5所示銑削力統(tǒng)計(jì)表，Deform 3D軟件仿真獲得的銑削力峰值同試驗(yàn)測得峰值對比結(jié)果如表6所示.

圖 3 n=5 800 r/min，fz=0.04 mm/z，ap=2.00 mm，ac=5.00 mm 時(shí)，X、Y、Z 方向切削力

圖 4 n=6 400 r/min，fz=0.04 mm/z，ap=2.00 mm，ac=5.00 mm 時(shí)，X、Y、Z 方向切削力

圖 5 n=5 800 r/min，fz=0.06 mm/z，ap=1.00 mm，ac=5.00 mm 時(shí)，X、Y、Z 方向切削力

圖 6 n=6 400 r/min，fz=0.06 mm/z，ap=1.00 mm，ac=5.00 mm 時(shí)，X、Y、Z 方向切削力

圖7 分組1試驗(yàn)對應(yīng)X、Y、Z方向切削力

圖8 分組2試驗(yàn)對應(yīng)X、Y、Z方向切削力

圖9 分組3試驗(yàn)對應(yīng)X、Y、Z方向切削力

圖10 分組4試驗(yàn)對應(yīng)X、Y、Z方向切削力

表5 試驗(yàn)銑削力統(tǒng)計(jì)表

表6 仿真值與實(shí)測值對比分析表

從表6數(shù)據(jù)可看出，進(jìn)給抗力FX相對誤差較大，這是由于切削試驗(yàn)時(shí)工件進(jìn)給導(dǎo)致工作臺振動(dòng)，從而引起進(jìn)給方向測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確所致;而主切削力FY和切深抗力FZ則相對誤差較小(在15%及以下)，且試驗(yàn)測得的數(shù)值都比仿真值小，這是因?yàn)閷?shí)際切削條件與仿真環(huán)境的差異所致，如是否開切削液、切削時(shí)振動(dòng)、刀具磨損與測量時(shí)數(shù)據(jù)采集誤差等，導(dǎo)致仿真值比實(shí)際值偏大.就切削力數(shù)據(jù)整體分布情況而言，仿真值和實(shí)際試驗(yàn)值的大小比較吻合，且通過合理修改仿真參數(shù)可以進(jìn)一步減小仿真數(shù)據(jù)誤差.此表明，利用Deform 3D進(jìn)行銑削仿真試驗(yàn)得到的切削力數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，切削過程仿真可靠，完全能夠部分地代替實(shí)際切削實(shí)驗(yàn).

4 結(jié)語

銑削力是導(dǎo)致工件加工變形、刀具損耗的主要因素，同時(shí)也是進(jìn)行零件工藝分析和夾具設(shè)計(jì)的前提條件.運(yùn)用軟件模擬仿真是預(yù)測切削力的重要途徑，而仿真所得數(shù)據(jù)也有待進(jìn)一步驗(yàn)證.本研究針對鋁合金高速銑削進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用Deform 3D對其進(jìn)行模擬仿真得到銑削力變化情況，并通過實(shí)際切削試驗(yàn)獲得切削力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了仿真值的準(zhǔn)確性和可靠性，為下一步Deform 3D仿真試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性提高提供了參考數(shù)據(jù).

［1］李傳明.Deform 3D金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］戚厚軍，呂利輝，張大衛(wèi)，等.擺線輪結(jié)構(gòu)件高速銑削過程中銑削力的有限元仿真分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(1):17-23.

［3］莊昕，楊發(fā)展.基于Deform 3D的中空框架鋁合金高速銑削有限元分析［J］.工具技術(shù)，2012，46(9):27-30.

［4］夏亮亮，袁軍堂，汪振華，等.基于Deform 3D的鋁合金銑削力仿真與試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，51(4):85-87.

［5］石俊強(qiáng)，張洪波，陳奕.超高速切削加工的刀具技術(shù)［J］.新技術(shù)新工藝，2009，31(10):42-44.

［6］孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(第一卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［7］宋志國，宋艷.高速銑削刀具及切削參數(shù)的選擇［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009，51(1):88-90.

Research on Experimental Validation of Milling Force Simulation Based on Deform 3D

ZENG Linlin，ZHOU Liping，LIU Xiaoying
(School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China)

The milling force is main cause of parts deformation and tool wear in the milling process.U-sing the finite element software for milling simulation is an important method to predict change of the cutting force.But every metal cutting simulation software has certain limitations，and can＇t completely simulate actual machining process.This paper takes high-speed milling of aluminum alloy as the study object，and designs the milling scheme.The size of main cutting force is calculated and estimated with the aid of an empirical formula.By using the Deform 3D milling simulation module to simulate the machining process，the milling force data are obtained.Finally，the actual milling test verifies the reliability of the data from simulation，which provides the basis for the accuracy of the simulation results.

milling force;finite element simulation;Deform 3D;milling test

TG54;TH16

A

1004-5422(2014)01-0072-04

2013-11-20.

四川省教育廳重點(diǎn)科研課題(2004A111)、省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SBZDPY-11-22)資助項(xiàng)目.

曾林林(1989—)，男，碩士研究生，從事制造過程數(shù)值仿真技術(shù)研究.