孫啟夢(mèng)， 李蓓智， 周亞勤， 劉 曉

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司， 上海 201100)

鋁合金材料因其強(qiáng)度高、切削性能好而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的各類(lèi)大型結(jié)構(gòu)件[1]。但這類(lèi)零件剛性較弱、加工路徑復(fù)雜、壁厚較小、直徑與厚度的比值較大，易受切削力、加工路徑等因素影響而發(fā)生變形，加工精度難以保證[2]。如何在切削過(guò)程中獲得兼顧加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率的工藝條件，是制造業(yè)和學(xué)術(shù)界一直關(guān)注并努力解決的問(wèn)題之一[3]。傳統(tǒng)試驗(yàn)研究費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低，并且研究結(jié)果不具備通用性和實(shí)時(shí)性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能的提升和相關(guān)軟件的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)在切削領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

姚輝等[6]研究表明，在根據(jù)實(shí)際工況建立的三維有限元仿真模型中，切削力、溫度可以作為評(píng)價(jià)已加工表面質(zhì)量的指標(biāo)。岳彩旭等[7]研究表明，隨著刀具前角的增大，銑削力減小，同時(shí)銑削溫度呈波動(dòng)趨勢(shì)。鄭耀輝等[8]研究表明，在加工7075鋁合金時(shí)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速，較低的進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度，可減小加工表面的粗糙度。楊振朝等[9]采用有限元法進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的銑削加工仿真，結(jié)果表明，切削力隨銑削速度和每齒進(jìn)給量的增大而增大，隨刀具前角的增大而降低。朱楠等[10]基于有限元法分析不同方向切削振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率對(duì)刀具表面應(yīng)力、刀具溫度的影響，結(jié)果顯示，振動(dòng)對(duì)刀具磨損影響較大，實(shí)際切削試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果一致。劉軍庫(kù)等[11]研究銑削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，工件表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；反之，工件表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。Lei等[12]采用顯示動(dòng)力學(xué)方法分析槽銑加工過(guò)程，結(jié)果表明，切削深度越小，切屑的卷曲半徑越大。白萬(wàn)金等[13]研究表明，采用階梯對(duì)稱(chēng)切削工藝加工工字鋼時(shí)加工變形較小。申運(yùn)鋒等[14]研究表明，“T”型件加工變形與加工路徑有關(guān)，不同加工路徑間的差異隨加工高度的下降而減小。胡權(quán)威等[15]研究表明，薄壁件加工時(shí)采用不同的工藝參數(shù)組合會(huì)導(dǎo)致變形發(fā)生顯著變化。馬偉[2]研究發(fā)現(xiàn)，在鋁合金肋板薄壁件加工過(guò)程中，采用外環(huán)銑削工藝時(shí)加工零件變形較小。

然而針對(duì)薄壁件加工變形，特別是加工路徑引起的變形，現(xiàn)有研究結(jié)果大多由加載經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的靜態(tài)切削力而得[15]，無(wú)法準(zhǔn)確反映加工中切削力與零件結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化情況。通過(guò)顯示動(dòng)力學(xué)方法直接對(duì)薄壁件的切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，可以明確加工變形與工藝參數(shù)、加工路徑間的關(guān)系，這對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)中工藝參數(shù)的優(yōu)選與加工路徑的規(guī)劃具有重要意義。

本文以航空航天“L”型極大直徑厚度比的2A14鋁合金薄壁零件為研究對(duì)象，采用基于顯示動(dòng)力學(xué)的仿真方法，分析切削力、加工變形與工藝參數(shù)的關(guān)系；分別在工件頂部、上部1/3高度、中部1/2高度處以?xún)煞N不同路徑進(jìn)行仿真加工，向下逐層切削一定高度后，討論每條加工路徑切削后的變形情況以及加工完成后零件整體的變形情況；依據(jù)分析結(jié)論進(jìn)行加工試驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)加工后的工件進(jìn)行檢測(cè)，以考察工藝參數(shù)對(duì)切削力和切削變形的影響，以及薄壁件內(nèi)外表面交替切削方式對(duì)改善薄壁件切削變形的有效性。

1 薄壁件加工仿真模型建立

1.1 工件本構(gòu)模型的構(gòu)建

在有限元分析中，動(dòng)態(tài)顯式算法采用動(dòng)力學(xué)方程差分格式模擬短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如沖擊、金屬切削等。本文采用顯式動(dòng)力學(xué)方法模擬分析薄壁件的切削過(guò)程。仿真過(guò)程中使用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型[12]定義工件的材料屬性，如式(1)所示。

(1)

采用顯式動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算時(shí)，J-C本構(gòu)模型的分離準(zhǔn)則是綜合考慮應(yīng)變硬化、應(yīng)變率和溫度的函數(shù)。當(dāng)定義的損傷參數(shù)D的值為1時(shí)，有限元模型中工件材料所劃分的網(wǎng)格單元被認(rèn)定為失效并刪除，則J-C本構(gòu)模型的失效準(zhǔn)則[3]可定義為

(2)

(3)

式中：d1～d5為材料的失效常數(shù)，依次取0.116、0.211、2.172、0.012和-0.012[19]；η為拉應(yīng)力與Mises應(yīng)力的比值；ε0為參考應(yīng)變率；εpl為等效塑性應(yīng)變率。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]和[20]，確定刀具與工件材料的主要物理性能指標(biāo)，列于表2。

表2 刀具與工件材料的物理性能參數(shù)

1.2 工件與刀具參數(shù)

本文研究對(duì)象為某回轉(zhuǎn)體的類(lèi)“L”型截面薄壁零件，其直徑與厚度的比值極大，為1 500。為便于仿真計(jì)算，在薄壁件上截取較小的一段進(jìn)行切削仿真建模。簡(jiǎn)化后的工件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖見(jiàn)圖1，截面形狀近似“L”型。刀具刃數(shù)為8，仿真分析時(shí)保留有效切削刃部分。細(xì)化工件頂部待切削位置網(wǎng)格，劃分完成后刀具與工件的有限元模型如圖2所示。

圖1 薄壁件的結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

圖2 薄壁件與刀具有限元模型

1.3 仿真工藝參數(shù)與模型邊界條件

銑削加工中，材料去除率(material removal rate，MRR)的定義為

RMR=Nnaeapfz×100%

(4)

式中：N為刀具齒數(shù)；n為刀具轉(zhuǎn)速；ae為徑向切深；ap為軸向切深；fz為每齒進(jìn)給量。

在工件材料去除率相同的條件下，考察采用4種工藝參數(shù)組合加工后工件的切削力與變形情況，具體的仿真參數(shù)如表3所示。其中：1、2、3組保持軸向切深與每齒進(jìn)給量不變，增加轉(zhuǎn)速的同時(shí)減小徑向切深，記為轉(zhuǎn)速與徑向切深組合；1、4、5組保持徑向切深與每齒進(jìn)給量不變，增加轉(zhuǎn)速的同時(shí)減小軸向切深，記為轉(zhuǎn)速與軸向切深組合；1、6、7組保持轉(zhuǎn)速與每齒進(jìn)給量不變，改變徑向切深和軸向切深，記為徑向切深和軸向切深組合；1、8、9組保持軸向切深和徑向切深不變，改變轉(zhuǎn)速與每齒進(jìn)給量，記為轉(zhuǎn)速與每齒進(jìn)給量組合。在仿真模型內(nèi)，依據(jù)實(shí)際工況設(shè)定邊界條件。將工件的底部進(jìn)行全約束固定，限制銑刀z方向的移動(dòng)以及x、y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；將銑刀沿x、y方向的直線運(yùn)動(dòng)以及繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分別作為刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。

表3 薄壁件銑削加工仿真工藝參數(shù)表

1.4 仿真路徑設(shè)置

由于薄壁件內(nèi)外兩側(cè)皆為加工面，因此走刀路徑對(duì)加工的影響較大[16]。本文考察不同加工位置(薄壁件的頂部、上部1/3、中部1/2高度處)處兩種切削路徑與加工變形間的關(guān)系。兩種切削路徑分別為單側(cè)獨(dú)立切削(一側(cè)加工多次后再加工另一側(cè)，路徑為外-外-內(nèi)-內(nèi))和雙側(cè)交替切削(一側(cè)走刀一次，然后轉(zhuǎn)到另一側(cè)進(jìn)行切削，路徑為外-內(nèi)-外-內(nèi))。兩種切削走刀路徑與加工部位示意圖如圖3所示，其中兩種切削走刀路徑的示意圖均以仿真模型中加工薄壁件的頂部為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 兩種切削走刀路徑與加工部位

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力及切削變形與工藝參數(shù)的關(guān)系

薄壁件頂部仿真時(shí)的單次加工切削過(guò)程如圖4所示。由圖4可知，t=0.05 s時(shí)刀具切入工件，t=0.10 s時(shí)加工至工件中部。隨著刀具沿切向的進(jìn)給，刀具與工件材料鋁合金發(fā)生接觸。當(dāng)工件模型的網(wǎng)格單元達(dá)到式(2)所定義的失效條件時(shí)，材料逐漸被去除。t=0.30 s時(shí)完成加工，刀具離開(kāi)工件。

圖4 薄壁件頂部單次仿真加工過(guò)程

仿真計(jì)算完成后，分別計(jì)算3個(gè)方向的切削力的算數(shù)平均值。切削力方向的定義如圖5所示，其中，F(xiàn)n為刀具徑向力，F(xiàn)t為刀具進(jìn)給力，F(xiàn)a為刀具軸向力。加工過(guò)程中切削力主要集中在刀具的徑向，而切向力和法向力相對(duì)較小。因此薄壁件的加工變形主要發(fā)生在刀具的徑向，定義工件的徑向加工變形un為

圖5 銑削加工中切削力方向

(5)

式中：ui為加工面某一節(jié)點(diǎn)在加工完成后的徑向變形；m為加工區(qū)域中提取變形的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4種工藝參數(shù)組合加工后，3個(gè)方向的切削力及徑向加工變形的變化情況如圖6所示。圖6中切削力為3個(gè)方向切削力均值。改變轉(zhuǎn)速和徑向切深時(shí)：隨著刀具轉(zhuǎn)速增大，切削力和徑向變形逐漸減小；轉(zhuǎn)速增加1倍后，徑向與軸向切削力分別由27.26和8.89 N減小到13.21和3.86 N，變化幅度較大，而切向力則保持穩(wěn)定，徑向加工變形由45.9 μm減小到28.4 μm?？梢?jiàn)提高轉(zhuǎn)速并減小徑向切深，可控制切削力與徑向變形。改變軸向切深和轉(zhuǎn)速時(shí)：隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸向切深逐漸減小，3個(gè)方向的切削力與徑向變形呈現(xiàn)出較為明顯的線性關(guān)系；轉(zhuǎn)速增加1倍后，徑向變形由45.9 μm減小至26.2 μm?？梢?jiàn)提高轉(zhuǎn)速并減小軸向切深，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)徑向加工變形的控制。切深減小，切削時(shí)刀具與工件的接觸面積減小，因此切削力與徑向變形減小。改變軸向切深與徑向切深時(shí)，刀具與工件的接觸面積未發(fā)生改變，3個(gè)方向的切削力與徑向變形的變化幅度較小，可見(jiàn)改變切深對(duì)切削力與徑向變形的影響不大。改變轉(zhuǎn)速與每齒進(jìn)給量時(shí)：隨著轉(zhuǎn)速的增大，切削力與徑向變形隨之減??；轉(zhuǎn)速增加1倍后，切削力減小30.7%，減小幅度小于轉(zhuǎn)速與切深組合改變的工況。

圖6 切削力與工藝參數(shù)的關(guān)系

由上述分析可知，徑向變形與切削力的變化趨勢(shì)基本一致。在當(dāng)前條件下，軸向和徑向切深組合變化對(duì)切削力與徑向變形的影響較小。在保持材料去除率不變的條件下，為調(diào)控切削力與徑向變形，應(yīng)優(yōu)先考慮提高刀具的轉(zhuǎn)速并減小切深，之后可考慮減小每齒進(jìn)給量。但減小每齒進(jìn)給量后，加工溫度會(huì)顯著升高，因此每齒進(jìn)給量不宜過(guò)小。簡(jiǎn)言之，針對(duì)2A14鋁合金薄壁件的切削加工，工藝參數(shù)選擇應(yīng)按照“高轉(zhuǎn)速、小切深、適當(dāng)?shù)拿魁X進(jìn)給量”的原則進(jìn)行。

2.2 不同加工路徑的變形分析

根據(jù)第2.1節(jié)，在對(duì)加工路徑進(jìn)行仿真時(shí)，選擇較高轉(zhuǎn)速、較小切深與適當(dāng)?shù)拿魁X進(jìn)給量組合進(jìn)行仿真分析。不同加工高度下按照第1.4節(jié)的兩種路徑加工后工件的變形云圖如圖7所示。由圖7可知：采用單側(cè)獨(dú)立路徑加工頂部時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頂部以下未加工部位發(fā)生變形；加工中部1/3位置時(shí)，會(huì)導(dǎo)致上方已加工部位發(fā)生變形；加工中部1/2位置時(shí)，上方已加工與下方未加工區(qū)域幾乎未發(fā)生變形，且兩處差異較小。采用雙側(cè)交替的路徑加工后，表面加工質(zhì)量?jī)?yōu)于單側(cè)獨(dú)立切削，并且不同位置已加工與未加工區(qū)域的變形皆小于單側(cè)獨(dú)立加工。

圖7 不同切削部位工件的加工變形云圖

頂部為加工薄弱處，分析頂部每次加工情況后的變形情況。根據(jù)式(5)，提取每次加工后工件頂部區(qū)域的總體變形。按照上述兩種路徑加工后，工件的變形改變量如圖8所示。由圖8可知：隨著切削次數(shù)的增加，兩種加工路徑導(dǎo)致的變形誤差差異隨之增大。單側(cè)獨(dú)立切削時(shí)，頂部加工區(qū)域平均變形由43.4 μm迅速增加至76.2 μm，增幅為75.6%；雙側(cè)交替加工時(shí)，變形由43.4 μm增加至53.4 μm，增幅為23%。仿真加工完成后，單側(cè)獨(dú)立切削加工區(qū)域的總變形量相比雙側(cè)交替切削增加了42.7%。雙側(cè)交替切削過(guò)程中，兩側(cè)切削剛度大致相同；而單側(cè)獨(dú)立切削加工時(shí)，兩側(cè)切削剛度差異較大。

圖8 切削路徑對(duì)頂部加工變形的影響

根據(jù)式(5)，提取不同加工高度下按照單側(cè)和雙側(cè)切削路徑加工后的變形。加工變形隨切削高度的變化情況如圖9所示。由圖9可知，在工件的不同加工位置，工件整體變形總是呈現(xiàn)兩側(cè)交替加工路徑的變形小于單側(cè)獨(dú)立路徑加工的規(guī)律。為比較兩種加工方式導(dǎo)致的變形差異，定義如式(6)所示的差值百分比，其中δ1和δ2分別為雙側(cè)交替切削和單側(cè)獨(dú)立切削后的變形。

圖9 單側(cè)獨(dú)立與雙側(cè)交替兩種加工路徑下工件不同加工高度處的變形對(duì)比

(6)

由式(6)計(jì)算兩種加工路徑的差值百分比。結(jié)果表明，工件頂部變形的差值百分比為42.7%，而中部1/2高度處僅為11.1%。隨著切削高度的下降，加工后工件的變形逐漸減小，并且兩種方式間的差異逐漸降低。導(dǎo)致這一變形分布的原因：工件頂部剛度較差，屬于加工薄弱位置，并且不同加工路徑導(dǎo)致的剛度變化顯著影響了加工變形；加工高度下降后，工件厚度增加，使得剛度增大，此時(shí)加工路徑導(dǎo)致的剛度差異對(duì)加工變形的影響逐漸減小。因此，采用雙側(cè)交替切削的路徑加工可顯著減小本文研究的“L”型薄壁類(lèi)零件在加工過(guò)程中的變形。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 L型薄壁件的加工試驗(yàn)與測(cè)量方案

為驗(yàn)證上述結(jié)論在加工完整零件時(shí)的正確性，選用高轉(zhuǎn)速、小切深及適當(dāng)每齒進(jìn)給量的工藝參數(shù)組合，以及雙側(cè)交替切削的加工路徑，在Hardinge BRIDGEBORT型加工中心上進(jìn)行“L”型薄壁件的銑削加工。加工完成后，采用HEXAGON型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)加工后的“L”型回轉(zhuǎn)體薄壁件進(jìn)行測(cè)量。薄壁件的加工過(guò)程及三坐標(biāo)測(cè)量圖如圖10所示，其中工件的形狀為橢圓形。

圖10 薄壁件加工與測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 變形分析

測(cè)量完成后對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析，考察薄壁件的加工變形情況。其中，加工變形是指加工后不同加工高度下工件長(zhǎng)軸與短軸的實(shí)際尺寸與理想尺寸的偏差。記薄壁件底面為高度方向(z方向)的零點(diǎn)位置，長(zhǎng)軸與短軸的變形隨加工高度的變化如圖11所示。由圖11可知，工件頂部為加工薄弱處，讓刀量大于中部1/2與上部1/3位置。加工過(guò)程中由于工件剛度的改變，切削時(shí)發(fā)生讓刀現(xiàn)象導(dǎo)致整體工件尺寸偏小。隨著加工高度的下降，長(zhǎng)軸與短軸的變形也隨之減小。變形變化趨勢(shì)的試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果一致。加工中采用高轉(zhuǎn)速與小切深的工藝參數(shù)組合實(shí)現(xiàn)了薄壁件變形的控制。

圖11 “L”型薄壁件加工變形隨加工位置的變化

4 結(jié) 語(yǔ)

以某航天“L”型結(jié)構(gòu)件為對(duì)象開(kāi)展銑削過(guò)程的有限元仿真分析以及加工試驗(yàn)研究，在相同材料去除率情況下，分析了工藝參數(shù)組合后切削力的變化情況。結(jié)果表明，提高刀具轉(zhuǎn)速并減小切深或每齒進(jìn)給量，可有效控制薄壁件的加工變形，但相對(duì)而言，高轉(zhuǎn)速與小切深組合更具優(yōu)勢(shì)。因此，為控制“L”型薄壁零件的變形，應(yīng)在加工時(shí)提高轉(zhuǎn)速、減小切深并選擇適當(dāng)?shù)拿魁X進(jìn)給量。在工件的不同加工位置，采用單側(cè)獨(dú)立切削與雙側(cè)交替切削的路徑進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，在“L”型薄壁環(huán)的1/2高度及以上部位，采用雙側(cè)交替切削時(shí)的加工變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單側(cè)獨(dú)立切削時(shí)，雙側(cè)交替切削時(shí)的變形可減少11.1%～42.7%。銑削加工試驗(yàn)結(jié)果表明，在加工“L”型薄壁零件時(shí)，變形隨加工高度的下降而減小。采用高轉(zhuǎn)速與小切深的工藝參數(shù)組合以及雙側(cè)交替切削的路徑，可有效減小加工變形。