周 珂，賈曉林，張 虎，張 星，孫 華

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

0 引言

近十年來，鋁鎂合金材料由于其塑性好、強(qiáng)度高、重量輕以及具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性等一系列優(yōu)異的特性被廣泛地應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域中[1-3]。但由于薄壁件剛度差以及鋁鎂合金本身的特性，加工過程中極易發(fā)生變形，影響加工精度和加工質(zhì)量。切削力是是金屬切削過程的一個重要過程量，它對研究切削機(jī)理、刀具的切削性能、優(yōu)化切削參數(shù)都有重要指導(dǎo)意義[4-5]。表面粗糙度也是衡量表面質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)，所以了解切削力和表面粗糙度的變化規(guī)律以及建立其預(yù)測模型有利于選擇正確的切削參數(shù)和提高加工精度[6]。

王兆峻等[7-9]針對薄壁零件加工時的整體變形進(jìn)行了研究，考慮因素只局限于考慮了毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力，而沒有考慮切削載荷。王民等[10]綜合考慮了殘余應(yīng)力、切削載荷等因素，研究了薄壁件整體變形情況，認(rèn)為切削加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機(jī)械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)。牛紅亮等[11]利用有限元分析切削力作用下側(cè)壁的彈性變形，但考慮因素僅限于切削力的作用，沒有考慮殘余應(yīng)力，而且假設(shè)工件只有彈性變形而沒有塑性變形。

本文針對5083鋁鎂合金大型整體薄壁件加工過程中存在的毛坯加工余量大、加工工序多、零件受熱變形大、夾緊變形對加工精度影響顯著、加工精度難以控制、加工表面質(zhì)量較差等突出問題，開展數(shù)控銑削加工試驗及工藝優(yōu)化研究。

1 銑削試驗方案

1.1 試驗設(shè)備、刀具及工件材料

試驗在XK650數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，工件材料為5083鋁鎂合金，工件尺寸為400 mm×300 mm×30 mm，刀具為瓦爾特雙刃硬質(zhì)合金刀具，刀具直徑為20 mm.切削力試驗采用Kistler三向切削力測力儀、電荷放大器以及數(shù)據(jù)分析軟件，表面粗糙度采用Mahr公司的Perthometer M1表面粗糙度儀進(jìn)行測量，加工后薄板的厚度（厚度的變化體現(xiàn)加工變形大?。┩ㄟ^PILOT三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行測量。試驗加工后的實物如圖1所示。

圖1 試驗加工試樣實物圖

加工后要求腹板的厚度為2 mm，肋板的厚度為1.5 mm，為了便于研究銑削參數(shù)對肋板的變形影響，將加工的肋板放在工件的側(cè)邊。

1.2 試驗方案

本次試驗選取切削速度（vc）、進(jìn)給量（f）、切削寬度（ae）、切削深度（ap）這四個參數(shù)作為研究對象，各因素及其水平如表1，正交試驗安排表如表2所示。

表1 四因素三水平安排表

表2 正交試驗結(jié)果表

2 試驗結(jié)果及極差分析

2.1 試驗結(jié)果

分別選擇銑削力F、肋板的表面粗糙度Ra1、腹板的表面粗糙度Ra2、肋板的厚度H1、腹板的厚度H2為研究對象，根據(jù)表2進(jìn)行9組不同參數(shù)下的銑削試驗，并對其試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。其中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z表示的是三向銑削力的大?。籖a1表示工件肋板側(cè)壁的表面粗糙度；Ra2表示腹板的表面粗糙度；H1表示側(cè)壁厚度；H2表示腹板厚度。分析切削力時從合力角度分析，合力F由式（1）求出：

2.2 極差分析

正交試驗結(jié)果見表3，表4所示為極差分析及其結(jié)果。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 極差分析與優(yōu)選

表4中切削力、表面粗糙度、加工變形的極差分析結(jié)果如下：

（1）影響銑削力的主要因素是切削寬度ap，銑削力最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為14 mm，切削寬度ap為1 mm.

（2）每齒進(jìn)給量f是影響肋板側(cè)壁的表面粗糙度Ra1的主要因素，其最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為350 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm；每齒進(jìn)給量f也是腹板的表面粗糙度Ra2的主要影響因素，其最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為2 mm.

（3）切削寬度ap是影響工件肋板側(cè)壁的厚度H1的主要因素，其最優(yōu)的工藝條件為切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm；切削寬度ap也是影響腹板的厚度H2的主要因素，其最優(yōu)的工藝條件為：切削速度vc為150 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削寬度ap為1 mm.

由于五個指標(biāo)單獨分析出來的最優(yōu)條件并不一致，必須綜合考慮影響因素的主次順序，確定出最優(yōu)的工藝條件。對于因素A來說，它是所有指標(biāo)的次要因素，而且有三個因素的優(yōu)水平是A1，但從提高加工效率和勞動力上綜合考慮，所以因素A取A3.因素B的優(yōu)水平都是B1，所以因素B取B1.對于因素C來說，它也是所有指標(biāo)的次要因素，但在實際加工中，為了提高加工效率，節(jié)省加工時間和勞動力，在保證精度的同時，切削寬度盡量選比較大的，所以因素C取C1.對于因素D來說，它是銑削力F和薄板厚度主要因素，而且優(yōu)水平都是D1，所以因素D取D1.

沐浴過后，紫云穿上那套連衣裙，顯得格外動人。她把蔣浩德輕輕扶起，連聲說道：“都是我不好，不該把你放在地上?！?/p>

綜上所述，本試驗的最優(yōu)條件是A3 B1 C1 D1，即切削速度vc為350 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削深度ap為1 mm.

3 建立各指標(biāo)的回歸方程

本次試驗利用Excel中回歸分析的數(shù)據(jù)分析工具，獲得各試驗指標(biāo)的回歸方程：

（1）總銑削力：

（2）肋板的表面粗糙度：

（3）腹板的表面粗糙度：

（4）肋板的厚度：

（5）腹板的厚度：

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)，各試驗指標(biāo)的R2都在0.9以上，精度較高，以上得到的經(jīng)驗公式可以用來進(jìn)行預(yù)報5083鋁鎂合金大型整體薄壁件加工過程中的切削力、加工表面粗糙度和加工變形。

4 走刀方式的選擇

4.1 走刀策略的選擇

由第3節(jié)分析可知，最優(yōu)的切削參數(shù)組合為切削速度vc為350 m/min，每齒進(jìn)給量f為0.05 mm/z，切削寬度ae為6 mm，切削深度ap為1 mm.利用這組最優(yōu)的參數(shù)組合進(jìn)行對走刀方式的單因素試驗，進(jìn)行四組單因素試驗，走刀方式如圖2所示。從左往右依次是單向，跟隨部件，跟隨周邊以及往復(fù)這四種走刀方式，加工出來的實物圖如圖3所示。

圖2 四種走刀方式

圖3 不同走刀方式的實物圖

4.2 走刀方式對表面粗糙度的影響

對加工后的表面進(jìn)行了表面粗糙度值的測量，每一個加工面選取五個不同的位置進(jìn)行測量，取其平均值作為這個加工面的表面粗糙度值。經(jīng)過測量得到單向走刀的表面粗糙度值為0.613 μm，跟隨部件走刀的表面粗糙度值為0.632 μm，跟隨周邊走刀的表面粗糙度值為0.669 μm，往復(fù)走刀的表面粗糙度值為0.648 μm.由此可見，四種方式的表面粗糙度值相差不大，單向走刀的表面粗糙度值相對較好，但是從圖3加工效果來看，單向和往復(fù)走刀方式的并不是很好，側(cè)壁的余量過多，達(dá)不到加工要求，所以初步選擇跟隨部件或者跟隨周邊的走刀方式，從加工時間上考慮，平均加工每個槽的時間跟隨部件比跟隨周邊要多一分十二秒，實際整體薄壁零件總共要加工600個左右的槽，節(jié)省到的時間可想而知。所以綜上所述，走刀方式應(yīng)該選擇跟隨周邊。

5 整體5083鋁鎂合金薄壁結(jié)構(gòu)件ANSYS數(shù)值模擬仿真分析

上述研究工作是對整體5083鋁鎂合金的局部進(jìn)行了銑削試驗研究，下面通過有限元仿真獲得整體結(jié)構(gòu)件銑削時變形情況。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，采用多元非線性回歸分析獲得5083鋁鎂合金三個方向的分銑削力Fc、Fp、Ff的回歸方程（即經(jīng)驗公式）為：

（1）軸向切深對鋁鎂合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的影響。保持徑向切寬ae=3 mm、每齒進(jìn)給量f=0.1 mm/z、切削速度vc=150 m/min不變，對比研究軸向切深ap分別為0.5 mm、1 mm、2 mm時的加工變形情況。根據(jù)式（2）～（4），計算出三個方向的銑削力并在ANSYS workbench中將它們加載到整體結(jié)構(gòu)件之上，對應(yīng)的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力如圖4所示。總體形變、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力數(shù)值見表5.

圖45083 鋁鎂合金薄壁筒件整體變形仿真

表5 不同軸向切深下仿真結(jié)果

（2）每齒進(jìn)給量對鋁鎂合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的影響。保持軸向切深ap=1 mm、徑向切寬ae=3 mm、切削速度vc=150 m/min不變，對比研究每齒進(jìn)給量f分別為0.1、0.2、0.3 mm/z時的加工變形情況。采用上述同樣的方法和步驟，仿真獲得總體形變、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力數(shù)值見表6.

表6 不同進(jìn)給量下仿真結(jié)果

（3）徑向切寬對鋁鎂合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的影響。保持每齒進(jìn)給量f=0.1 mm/z、軸向切深ap=1 mm、切削速度vc=150 m/min不變，對比研究徑向切寬ae分別為1、2、3 mm時的加工變形情況。采用上述同樣的方法和步驟，仿真獲得總體形變、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力數(shù)值見表7.

表7 不同徑向切寬下仿真結(jié)果

從表5-表7可以看出隨著軸向切深、每齒進(jìn)給量或徑向切寬的增加，最大總體變形、最大等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都相應(yīng)增加，這說明在銑削過程中，軸向切深、徑向切寬和進(jìn)給量對加工變形都有顯著影響。因此，在進(jìn)行加工變形控制時，要著重考慮這些參數(shù)帶來的影響。

由圖4可以看出，薄壁零件的總體變形最大值出現(xiàn)在壁上的圓孔附近，且附近的數(shù)值變化幅度較大，最小值出現(xiàn)在底部；最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在薄壁零件的下半部分，最小等效應(yīng)變出現(xiàn)在上部圓孔附近；最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在薄壁零件的下半部分，最小值出現(xiàn)在壁上的圓孔附近。

6 結(jié)論

（1）針對5083鋁鎂合金大型整體薄壁件數(shù)控銑削加工，正交試驗及極差分析表明銑削力和加工變形的主要影響因素是切削深度，肋板和腹板的表面粗糙度的主要影響因素為每齒進(jìn)給量，最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為：切削速度350 m/min，每齒進(jìn)給量0.05 mm/z，切削寬度10 mm，切削深度1 mm.

（2）單因素對比試驗表明，在單向、跟隨部件、跟隨周邊以及往復(fù)這四種走刀策略中，最佳的走刀方式為跟隨周邊銑削方式。

（3）通過正交試驗和多元回歸分析，建立了銑削力、表面粗糙度和加工變形的經(jīng)驗公式，各經(jīng)驗公式的回歸精度都在0.9以上，精度較高，可以用來進(jìn)行預(yù)報。

（4）ANSYS數(shù)值模擬仿真表明，軸向切深、每齒進(jìn)給量或徑向切寬的增加，最大總體變形、最大等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都相應(yīng)增加；薄壁零件的總體變形最大值出現(xiàn)在薄壁上的圓孔附近，最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在薄壁零件的下半部分。