劉 坤，徐 雷，周 永，任清川

(1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610000；2.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610000)

0 引言

隨著對(duì)航空產(chǎn)品性能要求的不斷提高，共形薄壁件因具有能與載體共形、滿足氣動(dòng)特性、不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，如飛機(jī)雷達(dá)。但是共形件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、加工余量大，在銑削機(jī)載共形薄壁件的過程中，常需要對(duì)半加工的零件進(jìn)行時(shí)效處理，且不同的切削條件也會(huì)導(dǎo)致不同的殘余應(yīng)力，對(duì)工件的精度要求以及可靠性有很大影響。因此，有必要探索銑削過程中機(jī)載共形薄壁件的殘余應(yīng)力現(xiàn)象及規(guī)律。

對(duì)于薄壁件銑削加工表面殘余應(yīng)力的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了以下相關(guān)研究。Arunachalam等[1]通過ABAQUS軟件構(gòu)建三維有限元切削模型，研究了銑削削鎳基高溫合金Inconel 718后薄板時(shí)的殘余應(yīng)力，并分析了其加工變形規(guī)律。Fergani等[2]對(duì)框類薄壁結(jié)構(gòu)件Al 7050銑削過程中殘余應(yīng)力進(jìn)行了三維有限元仿真，綜合考慮了進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、銑削溫度和殘余應(yīng)力等因素，研究了框類薄壁件銑削加工工藝。SCHLAUER等[3]基于ANSYS軟件建立了銑削6061鋁合金腔類零件的三維模型，研究了初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削力對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響。王凌云等[4]通過對(duì)薄壁件的動(dòng)態(tài)特性分析，建立了瞬態(tài)銑削力數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合有限元仿真，研究了不同裝夾條件下薄壁件的變形情況。張臣等[5]基于Z-map模型的球頭銑刀銑削力建模，研究了典型薄壁件加工變形的基本規(guī)律。但目前，關(guān)于研究銑削機(jī)載共形薄壁件過程中殘余應(yīng)力現(xiàn)象及規(guī)律的相關(guān)文獻(xiàn)尚未見到。

殘余應(yīng)力的研究方法有實(shí)驗(yàn)法和仿真法，實(shí)驗(yàn)法耗時(shí)耗力且不能直觀的得出工件殘余應(yīng)力的分布情況，仿真法不僅成本低，而且可以多次模擬，能夠直接計(jì)算工件的殘余應(yīng)力。通過仿真法，文獻(xiàn)[6-7]研究了鋁合金銑削加工工件表面不同切削幾何位置、不同轉(zhuǎn)速下殘余應(yīng)力的分布規(guī)律?；跓崃︸詈戏治?，文獻(xiàn)[8-9]研究了鋁合金高速銑削過程中銑削力和溫度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，但模型中并未考慮應(yīng)變率等因素。

本文以共形薄壁件銑削加工表面殘余應(yīng)力為研究對(duì)象，通過Advantage有限元仿真，建立以銑削速度和銑削深度為研究參數(shù)、共形薄壁件殘余應(yīng)力變化為輸出參數(shù)的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)方法，并分析了共形薄壁件殘余應(yīng)力變化規(guī)律，獲得了其加工表面殘余應(yīng)力與銑削速度、銑削深度之間的關(guān)系，為實(shí)際加工提供理論參考。

1 工件及刀具材料本構(gòu)模型

1.1 5A06合金本構(gòu)模型

目前，在切削仿真計(jì)算中使用的材料本構(gòu)模型主要有Johnson-Cook、Follansbee-Kocks和Bodner-Paton等，由于Johnson-Cook(J-C)強(qiáng)化模型可以很好地模擬銑削共形薄壁件過程中動(dòng)態(tài)載荷、應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化、溫度軟化和共形件的變形情況，因此選用J-C本構(gòu)，其表達(dá)式[10]為：

(1)

式中，第一項(xiàng)(A+Bεn)表征材料的應(yīng)變強(qiáng)化效，第二項(xiàng)表征材料的應(yīng)變速率，第三項(xiàng)表征流動(dòng)應(yīng)力受溫度的影響。σ為等效應(yīng)力；A、B、n分別是材料的硬度強(qiáng)化系數(shù)，C為材料的應(yīng)變速率強(qiáng)化系數(shù)，m為材料的熱軟化系數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε0為塑性應(yīng)變率；Tr為室溫；Tm為材料熔點(diǎn)。

本文所用的鋁合金5A06的J-C本構(gòu)參數(shù)采用分離式Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置得到，其本構(gòu)參數(shù)如表1所示[11]。

表1 鋁合金5A06 J-C模型材料本構(gòu)參數(shù)

1.2 5A06失效模型

為實(shí)現(xiàn)仿真模型中切屑與工件的分離，保證仿真切屑與實(shí)際加工過程中切屑形狀的一致性，材料分離準(zhǔn)則采用剪切失效準(zhǔn)則，如式(2)所示。

(2)

(3)

1.3 刀具材料參數(shù)

實(shí)際加工中所用刀具材料為硬質(zhì)合金，在有限元仿真中刀具材料的模型參數(shù)如表2所示[13]。

表2 刀具材料參數(shù)

仿真模型中主要考慮了刀具與工件之間的熱傳遞和摩擦因素對(duì)結(jié)果的影響，由于切削過程較短，未考慮刀具的磨損，且忽略刀具、工件的震動(dòng)。

1.4 摩擦模型

在實(shí)際切削加工中，刀具與工件的摩擦接觸情況較為復(fù)雜，在仿真計(jì)算中，通常將摩擦區(qū)簡化為切屑滑動(dòng)區(qū)與粘結(jié)區(qū)，粘結(jié)區(qū)是切屑在高溫下，產(chǎn)生滯留層，與前刀面形成粘結(jié)，而在滑動(dòng)區(qū)道濟(jì)與工件的摩擦系數(shù)可以看作一個(gè)常數(shù)[14]。其表達(dá)式為：

τc=min(μσn,τs)

(4)

式中，τc為工件在前刀面產(chǎn)生的滑動(dòng)剪切應(yīng)力，σn為前刀面的正應(yīng)力，μ為摩擦系數(shù)，本文取值為0.2，τs為工件的臨界屈服壓力。

2 研究對(duì)象

本文中，工件的幾何尺寸為7mm×6mm×2mm，圖1為刀具幾何模型，刀具的主要幾何參數(shù)如表3所示。

(a)刀具俯視圖

(b)刀具主視圖圖1 刀具幾何模型

表3 銑刀幾何參數(shù)

文中所研究銑刀銑削速度為200mm/min，每齒進(jìn)給量為0.5mm/z，銑削深度為0.5mm，由于是銑削鋁合金共形薄壁件，因此采用的銑削方式為順銑，為了對(duì)共形件殘余應(yīng)力在不同銑削轉(zhuǎn)速和銑削深度下有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，因此圍繞實(shí)際工況選取4種銑削速度4種銑削深度的16種組合工況進(jìn)行計(jì)算，研究方案如表4所示。

表4 研究方案

3 數(shù)值計(jì)算

本文的切削仿真基于以下假設(shè)條件：①忽略切削過程中刀具與工件所引起的震動(dòng)；②在切削過程中，所切除的材料的厚度始終一致；③工件材料的各向同性；④由于在銑削過程會(huì)伴隨大量冷卻液，因此忽略了加工過程中由于溫度升高所引起的工件材料的化學(xué)變化。

由于在仿真過程中，會(huì)產(chǎn)生切屑，為保證計(jì)算精度，工件網(wǎng)格的劃分方式采用Advantage軟件的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，在工件材料被去除的區(qū)域會(huì)發(fā)生大變形，此區(qū)域的網(wǎng)格會(huì)不斷更新重組，以保證計(jì)算模型不會(huì)發(fā)生畸變。

通過設(shè)定實(shí)際情況下銑刀銑削速度和銑削深度，得到如圖2所示的仿真結(jié)果，通過觀察所得到的切屑形狀，可知其呈帶狀卷曲切屑，與實(shí)際加工過程中的切屑形狀較為符合，由此可初步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 銑削仿真溫度圖

4 結(jié)果分析

圖3所示為工件在不同銑削速度和銑削深度下的進(jìn)給方向的銑削力隨時(shí)間變化而變化的情況。在相同的銑削時(shí)間下，表5為不同銑削速度和銑削深度下總的殘余應(yīng)力的仿真結(jié)果值，根據(jù)仿真結(jié)果可知，工件的殘余應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力。

圖3 不同銑削速度和銑削深度下銑削力—時(shí)間圖像

表5 仿真結(jié)果

續(xù)表

4.1 銑削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)表5的仿真結(jié)果，可以得到鋁合金銑削加工表面殘余應(yīng)力隨銑削速度變化而變化的情況，如圖4所示。

圖4 銑削速度—?dú)堄鄳?yīng)力曲線

從圖4可以看出：①在相同的銑削深度下，X和Y兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力隨著銑削速度的增大而減??；②在相同的銑削參數(shù)下，Y方向的壓應(yīng)力明顯要高于X方向的。③當(dāng)銑削速度從150r/min增長到300r/min時(shí)，銑削深度為0.2mm的X、Y方向的殘余壓應(yīng)力值分別從516.7MPa和618.2MPa降到了196.2MPa和362.8MPa；銑削深度為0.8mm的X、Y方向的殘余壓應(yīng)力值分別從672.6MPa和820.4MPa降到了380.2MPa和503.2MPa。這是因?yàn)楫?dāng)銑削速度增大時(shí)，銑削溫度會(huì)逐漸升高，使得熱塑性變形會(huì)抵消一部分殘余壓應(yīng)力，同時(shí)銑削力降低，使得冷塑性變形所引起的壓應(yīng)力降低，因此工件表面的殘余壓應(yīng)力逐漸降低。

4.2 銑削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)表5的仿真結(jié)果，可以得到鋁合金銑削加工表面殘余應(yīng)力隨銑削深度變化而變化的情況，如圖5所示。

圖5 銑削深度—?dú)堄鄳?yīng)力曲線

從圖5可以看出：①在相同的銑削速度下，X和Y兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力隨著銑削深度的增大而增大，工件單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的銑削熱增多，但切削刃工作長度增長，刀具-工件接觸面積增大，削弱了銑削熱熱塑性變形的作用，使得工件殘余應(yīng)力增大；②當(dāng)銑削深度從0.2mm增至1.1mm時(shí)，銑削面積增大，切削刃鈍圓半徑所引起的尺寸效應(yīng)增大，切削過程逐漸由剪切斷裂變?yōu)閿D壓變形，使得工件的殘余應(yīng)力增大，說明熱塑性變形產(chǎn)生的作用效果降低；③X方向的殘余應(yīng)力與Y方向的殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，但是X方向的壓應(yīng)力的絕對(duì)值普遍低于Y方向的壓應(yīng)力，其原因可能是因?yàn)榍邢魅袣堄喙ぷ鞯拈L度增長，體積去除率增加，Y方向材料的擠壓程度增大，由此產(chǎn)生的壓應(yīng)力增大。

5 結(jié)論

通過有限元分析共形薄壁件鋁合金5A06高速銑削過程，確定了銑削速度、銑削深度與工件表面殘余應(yīng)力之間的關(guān)系模型，通過分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)工件表面的X的殘余應(yīng)力普遍低于Y方向的殘余應(yīng)力，在仿真參數(shù)范圍內(nèi)，工件表面殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這是由于冷塑性變形占主導(dǎo)地位。

(2)工件表面的殘余應(yīng)力隨著銑削速度的增大而減小，而隨銑削深度的增大而增大。

(3)構(gòu)建了以銑削速度、銑削深度為輸入，工件表面殘余應(yīng)力為輸出的預(yù)測(cè)方法，為銑削航空鋁合金共形薄壁件加工參數(shù)優(yōu)選提供了一定的理論依據(jù)。