李 博，王彩霞，董桂華，周 欣

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安710077)

0 引言

鎂合金具有比強(qiáng)度高、比剛度高、阻尼減振性強(qiáng)、液態(tài)成型性好、能屏蔽電磁輻射、易于回收利用等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]，因而在國防工業(yè)、汽車制造、電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。但鎂合金在高溫時(shí)其強(qiáng)度降低、抗蠕變性和耐腐蝕性較差，因此對鎂合金銑削參數(shù)的優(yōu)化就顯得尤為重要。

邊建瀟、劉陽等[2]通過實(shí)驗(yàn)方法對影響AZ31B鎂合金表面完整性的銑削工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，分析了主軸轉(zhuǎn)速，每齒進(jìn)給量和背吃刀量對AZ31B鎂合金表面完整性的影響，利用響應(yīng)曲面法(RSM)創(chuàng)建了工藝參數(shù)和響應(yīng)目標(biāo)之間的回歸模型，得到了獲取最小表面粗糙度和最大硬度的最優(yōu)方案。何啟東等[3]在微銑削工況下對AZ31B鎂合金的銑削力及加工機(jī)理進(jìn)行了研究，通過搭建HAAS機(jī)床試驗(yàn)平臺對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，分析了不同切削參數(shù)對微銑削力和加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。WU B L等[4]研究了AZ31B鎂合金在0.5Hz、1.0Hz和2.0Hz循環(huán)應(yīng)力控制下的棘輪行為。K.P.Vasantha Kumar等[5]研究了FSW工藝參數(shù)對異種鋁合金AA6061和AZ31B鎂合金力學(xué)性能的影響。張宏基等[6]采用析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的方法對高速銑削條件下的AM50A鎂合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了銑削參數(shù)對銑削力、表面粗糙度和表面形貌的影響關(guān)系。

近年來，數(shù)值計(jì)算在材料切削領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用。使用有限元仿真可系統(tǒng)地研究銑削參數(shù)在鎂合金銑削過程中對銑削力和發(fā)熱程度的影響規(guī)律。張建飛等[7]基于有限元軟件AdvantEdge結(jié)合相應(yīng)曲面法，研究了刀具幾何參數(shù)對鈦合金加工過程的影響，得到了各參數(shù)影響的大小順序。周欣等[8]基于AdvantEdge對鋁合金零件銑削加工過程中的切削力、工件變形等進(jìn)行了分析。

本文應(yīng)用商用有限元分析軟件對鎂合金材料AZ31B的銑削過程進(jìn)行了分析，通過建立鎂合金銑削加工仿真模型，確定影響加工過程的因素與水平，使用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)多因素試驗(yàn)方案，經(jīng)過極差法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了影響銑削力、銑削溫度的因素主次關(guān)系。研究結(jié)果為鎂合金零件加工過程中的切削參數(shù)優(yōu)化提供了一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 計(jì)算模型

1.1 材料本構(gòu)模型

金屬切削過程中，受高的切削溫度、高的切削壓力、大的應(yīng)力應(yīng)變等因素影響，材料常常會發(fā)生彈塑性形變，本文選擇Johnson-Cook本構(gòu)模型[9]，其表達(dá)式為：

1.2 材料失效模型

材料失效模型的表達(dá)式為：

其中，θ為材料的當(dāng)前溫度；θmelt為材料的融化溫度；θtransition為室溫。

1.3 設(shè)計(jì)方法與計(jì)算方案

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)計(jì)算方案。選取銑削深度ap、每齒進(jìn)給量fz、銑削速度Vc三個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素下選取三個(gè)水平變量。鎂合金在高速加工時(shí)，其切削速度范圍可取400～7500 m/min，但當(dāng)切屑溫度超過480 ℃時(shí)就會著火，為了安全起見，則需要避免進(jìn)給量在0.05 mm/r以下、切削速度在1500 m/min以上的加工。綜上，銑削參數(shù)設(shè)置范圍為：銑削深度ap取0.5～1.5 mm，每齒進(jìn)給量fz取0.050～0.100mm/z，銑削速度Vc取400～600 m/min，具體如表1所示，然后根據(jù)正交表設(shè)計(jì)若干組正交試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)因素水平表

由表1可知，對于三因素三水平的試驗(yàn)方案安排，可根據(jù)正交表L9(34)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)次數(shù)及各組參數(shù)組合如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)安排計(jì)算方案

2 結(jié)果與分析

本文以鎂合金AZ31B為研究對象，其自定義材料本構(gòu)模型仿真取值如表3所示。在計(jì)算過程中，基于以下假設(shè)條件[11]：

(1)工件在切削的時(shí)候，其被切除部分的高度始終保持不變，因此該過程可以算作平面進(jìn)行分析處理；

(2)在刀具對工件切削時(shí)，忽略刀具的震動對于加工的影響；

(3)由于仿真所模擬的加工過程很短，因此該過程并未考慮刀具的損耗。

表3 鎂合金AZ31B的本構(gòu)模型參數(shù)

仿真類型選擇2D Down milling(順銑)，工件的網(wǎng)格劃分采用軟件自適應(yīng)劃分技術(shù)。刀具選用直徑為Φ12 mm的三刃立銑刀，刀具材料選用硬質(zhì)合金(Carbide-Grade-K)，刀尖圓弧半徑為0.04 mm，前角19°，后角22°，螺旋角30°；刀具涂層為一層，其材料使用TiN，厚度1 μm。在有限元模型中，刀具網(wǎng)格劃分的最大單元尺寸設(shè)為1 mm，最小單元尺寸0.1 mm，網(wǎng)格劃分等級參數(shù)0.4。不使用切削液冷卻，初始溫度選擇室溫20 ℃。根據(jù)設(shè)置的銑削寬度以及進(jìn)給量大小，系統(tǒng)將自動計(jì)算仿真模擬時(shí)的銑削長度。

圖1為切削深度ap=0.5 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.05 mm/z，切削速度Vc=400 m/min時(shí)的切削溫度云圖及切削力的變化?？煽闯鲢娤髁Α娤鳒囟入S著刀具的切入迅速增大，主切削力Fx最大14.214 N，背向力Fy最大13.884 N，工件溫度最大值345.291 ℃。

圖1 ap=0.5 mm，fz=0.050 mm/z，Vc=400 m/min的試驗(yàn)仿真結(jié)果

表4 銑削力試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

續(xù)表4

表5為各計(jì)算方案的最高溫度值及極差分析結(jié)果。從極差計(jì)算結(jié)果可見對銑削溫度的影響主次順序?yàn)椋恒娤魉俣?每齒進(jìn)給量>銑削深度。

表5 銑削溫度試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

3 結(jié)語

本文采用有限元方法對鎂鋁系合金AZ31B進(jìn)行了二維銑削仿真模擬，獲得了銑削力變化趨勢圖、銑削溫度場分布云圖。通過對仿真加工過程的觀察可得到：

(1)刀具切削工件過程中，切屑上的溫度比工件上的溫度都高，這與實(shí)際加工過程中大量切削熱被切屑帶走的情況相一致。通過動畫演示可以看到不同時(shí)刻工件、刀具以及切屑上的溫度分布，而且刀具上的最高溫度出現(xiàn)在前刀面與切屑接觸的地方。

(2)在切削開始時(shí)刻，銑削力隨著刀具切入材料厚度的增加而迅速從零開始增大；當(dāng)材料完全切入時(shí)，銑削力達(dá)到最大值，隨后保持在小幅波動內(nèi)；當(dāng)?shù)毒咄耆谐霾牧蠒r(shí)，銑削力就減為零。從切入到切出的過程中，其銑削力的值由小到大再到小，這是因?yàn)樵阢娤鬟^程中因?yàn)楣ぜ囟溶浕男?yīng)可使銑削力有所下降。

(3)運(yùn)用極差法對正交試驗(yàn)所得銑削力和銑削溫度結(jié)果進(jìn)行分析，得到了影響受力的各因素主次順序?yàn)椋恒娤魃疃?每齒進(jìn)給量>銑削速度；影響發(fā)熱程度的各因素主次順序?yàn)椋恒娤魉俣?每齒進(jìn)給量>銑削深度。