張慶陽 李銘 席呂超

(①上海交通大學(xué)模具CAD 國家工程研究中心，上海 200030;②上海申模模具制造有限公司，上海 200030)

汽車匹配主模型檢具在大批量生產(chǎn)和整車裝配前，發(fā)揮著極為重要的作用，由于航空鋁合金強(qiáng)度與剛度比較好，抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)、材料較輕，所以汽車匹配主模型材料一般選用航空鋁合金［1-2］。檢具的加工一般采用高速銑削，由于加工完成一段時(shí)間后鋁合金檢具明顯變形，我們通過查閱資料以及相關(guān)因素的排查分析，認(rèn)為是高速銑削過程中銑削力、銑削熱及裝夾等因素造成了殘余應(yīng)力的重新分布，殘余應(yīng)力的釋放造成了工件的變形［3］。

在查閱銑削力模型相關(guān)資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，有關(guān)理論模型方面，閻兵［4］等將銑削力分為前刀面力、后刀面力以及刀刃上的耕犁力，提出一種新的螺旋刃銑刀銑削力模型;Altintas［5］根據(jù)球頭銑刀幾何模型提出動(dòng)態(tài)銑削力模型。但這些目前流行的力學(xué)模型對于中小企業(yè)并不經(jīng)濟(jì)，基于正交試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透軡M足實(shí)際生產(chǎn)的需要。通過參考不同文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，不同銑削參數(shù)范圍內(nèi)，銑削力經(jīng)驗(yàn)公式相差極大，為確定符合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)銑削參數(shù)的銑削力模型，我們采用多因素正交試驗(yàn)法，并通過Matlab 線性回歸運(yùn)算得到了6061 鋁合金銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1 試驗(yàn)

1.1 銑削力經(jīng)驗(yàn)公式

工程中，銑削力經(jīng)驗(yàn)公式對于不同的加工環(huán)境而言其構(gòu)建形式是完全不同的，尤其是對高速銑削下銑削力模型的研究較少。為此，需要根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境進(jìn)行切削試驗(yàn)，以確定模型能貼合實(shí)際。銑削加工過程涉及4 個(gè)參數(shù)，根據(jù)金屬切削原理研究結(jié)論，在刀具幾何參數(shù)及加工材料確定的前提下，銑削力經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式為［6］:

式中:Ci是由材料、銑削條件確定的系數(shù);n 為轉(zhuǎn)速;ap為銑削深度;f 為進(jìn)給速度;aw為銑削寬度;d 為銑刀半徑。在本文研究中，銑削刀具固定為φ8 mm 的平頭銑刀，所以aw及d 均可合并到常數(shù)系數(shù)中，于是公式變?yōu)?

對式(2)兩端取對數(shù)使之成為線性函數(shù)，即:

設(shè)其對應(yīng)的線性回歸方程為:

最終對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析處理得到式(4)中參數(shù)，進(jìn)而得到銑削力模型［7］。

1.2 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)將轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度作為試驗(yàn)的3個(gè)因素，根據(jù)正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)3 因素3 水平正交試驗(yàn)如表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

為了驗(yàn)證銑削層數(shù)及材料厚度對銑削力有無影響，在確保銑削參數(shù)均為8000 r/min、1500 mm/min和0.4 mm 的條件下，特意設(shè)置了兩組梯度試驗(yàn)(表2)進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 梯度試驗(yàn)水平表

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)工件采用進(jìn)口6061 鋁合金材料，形狀為長120 mm、寬80 mm，厚度分別為8 mm、12 mm 和16 mm的板材。銑削力試驗(yàn)在DMU 60 monoBLOCK 高速加工中心上進(jìn)行，采用“回”走刀，由內(nèi)向外，沒有使用任何冷卻。

銑削力通過瑞士Kistler9272 型三向動(dòng)態(tài)測力儀進(jìn)行測量，最終通過HRsoft_DW_V1.3 程序保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)及獲取數(shù)據(jù)形式連接如圖1。

試驗(yàn)采用SWT 平頭銑刀，材料牌號為YG3X，銑刀尺寸為φ8 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析及模型驗(yàn)證

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，其中銑削力結(jié)果以x、y、z 三個(gè)方向分力的形式表現(xiàn)出來。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表

將正交試驗(yàn)各銑削用量及試驗(yàn)結(jié)果代入Matlab中，運(yùn)行Regress 函數(shù)進(jìn)行回歸分析，即可得到式(4)中各項(xiàng)參數(shù)，得到銑削力模擬公式為:

表4 理論預(yù)測值與實(shí)測值比較分析

表5 梯度試驗(yàn)結(jié)果表

盡管銑削力模型的假設(shè)有一定依據(jù)，但在求出模型之后，有必要進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。Matlab 所得的數(shù)據(jù)顯示，3 個(gè)方向銑削力模型的相關(guān)性系數(shù)分別為0.8512，0.8509，0.8038，均大于0.8 的相關(guān)性要求，顯著性水平為0.0164，0.0165，0.0322，其線性關(guān)系顯著。為了驗(yàn)證該理論模型預(yù)測值的準(zhǔn)確性，安排3 組數(shù)據(jù)來校驗(yàn)理論值與預(yù)測值的符合程度，如表4。由表4 可以看出，X 向銑削力平均誤差為5.19%，Y 向?yàn)?.325%，Z 向?yàn)?.9459%，說明理論公式預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)十分吻合，該模型可以用來預(yù)測該銑削參數(shù)范圍內(nèi)的銑削力大小。這為進(jìn)一步研究工件在高速銑削加工過程的變形提供了有力支持。

2.2 材料厚度及銑削層數(shù)對銑削力大小的影響

為驗(yàn)證厚度、銑削層數(shù)對銑削力的影響，特設(shè)計(jì)兩組梯度試驗(yàn)，結(jié)果如表5。

從表5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，材料的厚度對于銑削力基本沒有影響，這是由于材料的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銑削的深度，導(dǎo)致厚度對銑削力基本沒有影響。隨著銑削層數(shù)的增加，銑削力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。分析這是因?yàn)樯弦粚鱼娤魍瓿珊蟮你娤鳠釋ο乱粚鱼娤鞑牧显斐闪艘欢ǖ臒嵊绊?，使下一層材料“變軟”易于加工?/p>

3 結(jié)語

本文運(yùn)用正交試驗(yàn)及梯度試驗(yàn)確定了鋁合金材料6061 平頭銑刀銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图昂穸取娤鲗訑?shù)對銑削力的影響，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)確定了模型的精確性。文中各項(xiàng)銑削參數(shù)雖然是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的參數(shù)范圍進(jìn)行選用，但并沒有完全覆蓋精加工、粗加工所有的參數(shù)范圍，通過對文中范圍內(nèi)參數(shù)的研究，探究出一種可行的銑削加工模擬方法是下一步的研究重點(diǎn)。

［1］孫嘉繼，孔嘯，袁俊凇，等.6061 鋁合金球頭銑刀銑削力模型的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工具技術(shù)，2011，45(1):24 -27.

［2］孫嘉繼.6061 鋁合金薄壁件銑削加工試驗(yàn)研究與參數(shù)優(yōu)選［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

［3］郭培燕.高速切削加工表面殘余應(yīng)力的分析和模擬［D］.濟(jì)南:山東科技大學(xué)，2007.

［4］徐超輝，閻兵.一種螺旋刃球頭銑刀的高速加工銑削力模型［J］.工具技術(shù)，2007，41(8):36 -40.

［5］Altintas Y，P LEE.Prediction of ball end milling force from orthogonal cutting data［J］.Mach.Tools.Manuf，1996(38):1059 -1072.

［6］趙之眉，丁儒林.金屬切削原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［7］王立濤，柯映林，黃志剛.航空鋁合金7050 -T7451 銑削力模型的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國機(jī)械工程，2003(19):70 -72 +5.