高玉俠

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

由于具有密度小、強(qiáng)度高以及比重低的特點(diǎn),鎂合金材料在交通運(yùn)輸、醫(yī)療器材以及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。

然而,鎂合金材料在加工中存在著熔點(diǎn)低、模量小和易蠕變等問題,嚴(yán)重影響其加工成本和性能[4,5]。

在對(duì)鎂合金切削加工的研究中,郭子晛[6]設(shè)計(jì)了一種鎂合金切削加工的有限元切削模型,分析了加工過程中背吃刀量等參數(shù)對(duì)其切削力的影響。何啟東[7]構(gòu)建了鎂合金二維切削仿真模型,并對(duì)微細(xì)切削中的尺度效應(yīng)和最小切削量進(jìn)行了研究。劉龍飛[8]通過分析鎂合金車削加工過程中切屑的形態(tài)變化,對(duì)鋸齒化切屑的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。張春燕[9]通過構(gòu)建鎂合金銑削數(shù)值分析模型,計(jì)算了高速銑削時(shí),工藝參數(shù)對(duì)其最大銑削力的影響規(guī)律。李甜[10]設(shè)計(jì)了鎂合金支架銑削試驗(yàn),采用響應(yīng)曲面法,建立了其表面完整性回歸模型,并對(duì)其銑削加工工藝進(jìn)行了研究。張宏基[11]研究了鎂合金切削加工工藝參數(shù)對(duì)其粗糙度的影響情況,分析了銑削力和銑削參數(shù)之間的非線性特征規(guī)律。

由以上分析可以看出,已有的研究中普遍采用二維有限元仿真和試驗(yàn)兩種方式,分析工藝參數(shù)對(duì)切削力和表面質(zhì)量等方面的影響規(guī)律。而二維模型并不能完全反應(yīng)銑削力的變化情況;同時(shí),常規(guī)的工藝參數(shù)優(yōu)化對(duì)鎂合金銑削的切削力和鎂合金表面質(zhì)量的改善仍然有限[12,13]。

針對(duì)以上問題,為提高鎂合金銑削質(zhì)量,筆者提出一種基于超聲振動(dòng)輔助銑削的工藝;在切削過程中,對(duì)刀具施加超聲振動(dòng),從而改變切削機(jī)理和切削性能;為驗(yàn)證該方法的有效性,擬在鎂合金三維銑削模型上進(jìn)行數(shù)值模擬,并通過切削力、切屑形態(tài)、表面粗糙度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比,驗(yàn)證所用方法的實(shí)用性和可靠性,以期優(yōu)化銑削工藝,提高加工效率和加工質(zhì)量。

1 有限元仿真及結(jié)果分析

1.1 仿真模型建立

在ABAQUS軟件中,筆者建立三維超聲振動(dòng)銑削有限元模型,如圖1所示。

圖1 三維超聲振動(dòng)銑削模型

圖1的模型中,鎂合金工件為左、右對(duì)稱結(jié)構(gòu),為此,筆者在工件模型左側(cè)和底面添加對(duì)稱約束和固定約束。

該刀具為四面刃立銑刀。筆者參照OSK標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)中使用的銑刀進(jìn)行參數(shù)建模,刀具尺寸為D12×20 mm,設(shè)置銑刀沿工件側(cè)面直線進(jìn)給,以順銑方式進(jìn)行加工;

對(duì)于銑刀和工件的接觸過程,筆者設(shè)置刀具表面為主動(dòng)面,切削加工區(qū)域?yàn)閺膭?dòng)區(qū)域,兩者之間摩擦類型分別為切向摩擦和法向摩擦。

筆者通過定義材料本構(gòu)方程,對(duì)切削屬性進(jìn)行設(shè)置。

在金屬切削領(lǐng)域,應(yīng)用最為廣泛的是J-C本構(gòu),仿真中鎂合金在切削時(shí)的J-C本構(gòu)方程可以表示為[14]:

(1)

鎂合金材料參數(shù)由文獻(xiàn)[15]獲得,具體參數(shù)如表1所示。

表1 鎂合金材料屬性

為了簡(jiǎn)化仿真的計(jì)算過程,筆者將模型中銑刀設(shè)置為剛體,并忽略磨損和相變對(duì)加工質(zhì)量的影響;此外,筆者采用切削區(qū)域局部密化方式對(duì)工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在工件非切削部分進(jìn)行稀疏網(wǎng)格處理(工件和銑刀劃分網(wǎng)格后設(shè)置單元類型為C3D8R)。

1.2 仿真結(jié)果分析

筆者對(duì)普通銑削和超聲振動(dòng)銑削的仿真結(jié)果進(jìn)行分析,并在可視化模塊中提取兩者的銑削力和Mises應(yīng)力圖進(jìn)行對(duì)比。

仿真工藝參數(shù)如表2所示。

表2 仿真工藝參數(shù)

筆者對(duì)普通銑削和超聲銑削的銑削力進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 三維銑削仿真銑削力波動(dòng)圖

從圖4中可知:

(1)采用普通銑削時(shí),銑削力明顯高于超聲銑削;此外,Z方向銑削力的變化毫無規(guī)律,還會(huì)出現(xiàn)銑削力劇烈波動(dòng)的情況;

(2)在超聲銑削仿真中,3個(gè)方向的銑削力都呈平穩(wěn)波動(dòng)得正余弦周期性變化。

為了進(jìn)一步分析銑削力,筆者建立相應(yīng)的Mises應(yīng)力云圖,如圖5所示。

圖5 三維銑削仿真Mises應(yīng)力圖

圖5中,在超聲振動(dòng)的作用下,銑刀和工件之間呈間歇性接觸,由于在刀具向下振動(dòng)時(shí),接觸面積逐漸增大,因而應(yīng)力在銑刀位于最低點(diǎn)時(shí)處于極大值,銑刀位于最高點(diǎn)時(shí)應(yīng)力最小。

通過對(duì)比可知:超聲銑削應(yīng)力最大值和普通銑削應(yīng)力值基本相同,由此可知超聲振動(dòng)可以有效降低工件表面受到的應(yīng)力,不會(huì)產(chǎn)生普通銑削時(shí)的塊狀蹦碎,而是在超聲作用下形成規(guī)則的條紋狀切屑,這有助于提高加工后工件表面的質(zhì)量。

2 試 驗(yàn)

為驗(yàn)證該方法的有效性,筆者擬在鎂合金三維銑削模型上進(jìn)行數(shù)值模擬,并通過切削力、切屑形態(tài)、表面粗糙度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比,驗(yàn)證所用方法的實(shí)用性和可靠性,以期優(yōu)化銑削工藝,提高加工效率和加工質(zhì)量。

筆者構(gòu)建的超聲振動(dòng)銑削試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 超聲振動(dòng)銑削試驗(yàn)平臺(tái)

圖6(a)為銑床和超聲振動(dòng)刀柄,由圖6(b)所示的超聲振動(dòng)發(fā)生器提供能量,其最大超聲功率為300 W;

圖6中,刀柄前端裝有直徑10 mm的四面刃立銑刀,以此來對(duì)工件進(jìn)行加工;工件安裝在Kistler 9255C傳感器上,由圖6(c)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加工中產(chǎn)生的電信號(hào),以此來對(duì)加工中的銑削力進(jìn)行控制。

試驗(yàn)前,筆者先對(duì)工件表面的氧化層進(jìn)行銑削處理,以降低氧化層對(duì)試驗(yàn)中銑削力的影響。工件加工區(qū)域尺寸為80 mm×50 mm×30mm。

試驗(yàn)中采用風(fēng)冷的方式,以防止冷卻液對(duì)銑削力產(chǎn)生干擾。

對(duì)于每組參數(shù)筆者都進(jìn)行3次試驗(yàn),以降低隨機(jī)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)加工后,工件表面不可避免地存在某些質(zhì)量問題,這些質(zhì)量問題對(duì)零件的使用壽命將產(chǎn)生潛在的影響。由于工件的表面質(zhì)量和銑削力以及切屑之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,因此,對(duì)試驗(yàn)中銑削力與切屑進(jìn)行檢測(cè)和分析,可以較為準(zhǔn)確地評(píng)判加工后的表面質(zhì)量情況。

3.1 切削力對(duì)比情況

筆者以表2中的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),截取銑削加工中平穩(wěn)階段的切削力進(jìn)行降噪處理。

普通銑削和超聲振動(dòng)銑削時(shí),測(cè)得X、Y和Z這3個(gè)方向的銑削力如圖7所示。

圖7 三維銑削試驗(yàn)銑削力波動(dòng)圖

從圖7中可知:超聲銑削時(shí),切削力整體較為平穩(wěn),Z方向的切削力波動(dòng)較小;普通銑削加工時(shí),3個(gè)方向的切削力都呈現(xiàn)出較高的水平,并且Z方向還存在切削力漂移的情況,這可能是普通銑削加工時(shí),連續(xù)切削導(dǎo)致加工區(qū)域和工件整體溫度升高所造成的。

通過將試驗(yàn)和仿真兩者的銑削力進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,兩者之間的波動(dòng)形式基本一致。

筆者提取穩(wěn)定切削狀態(tài)下普通銑削和超聲振動(dòng)銑削時(shí)銑削力隨時(shí)間變化的平均值,將試驗(yàn)測(cè)量的值和仿真計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)工藝參數(shù)和仿真模型保持一致。

仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同方向銑削力對(duì)比情況

從圖8中可知:超聲振動(dòng)輔助銑削可以有效降低X、Y和Z這3個(gè)方向的銑削力,X方向和Y方向銑削力降低得尤為明顯,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得3個(gè)方向的銑削力分別降低了37.2%、37.3%和20.9%;

由圖8中方差可知:超聲振動(dòng)輔助加工時(shí),銑削力的波動(dòng)有一定程度的減小,提高了銑削加工的穩(wěn)定性。

筆者將銑削力仿真計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算可得3個(gè)方向的相對(duì)誤差分別為10.3%、4.1%和9.3%。

仿真值和試驗(yàn)值之間存在誤差,主要是由于銑削仿真過程處于理想狀態(tài),不存在實(shí)際加工中機(jī)床的振動(dòng)和裝夾誤差,且測(cè)力儀測(cè)試時(shí)會(huì)受到外界環(huán)境的干擾出現(xiàn)銑削力漂移等情況;此外,銑刀在加工中由于未使用冷卻液而導(dǎo)致磨損加劇,也會(huì)造成仿真和試驗(yàn)之間的誤差。

3.2 切屑形態(tài)對(duì)比情況

筆者對(duì)普通銑削和超聲振動(dòng)銑削時(shí)產(chǎn)生的切屑進(jìn)行分析。切屑樣式如圖9所示。

圖9 銑削加工切屑對(duì)比圖

通過對(duì)比圖9可知:在普通切削加工中,切屑形狀較為連續(xù),并且呈較為明顯的螺旋狀卷曲,卷曲角度較小;而超聲振動(dòng)輔助銑削形成的切屑長(zhǎng)度較小,卷曲的角度較大。這主要是由于超聲振動(dòng)的引入導(dǎo)致切削刃在切屑表面形成了裁切的效果,造成切屑斷裂。

此外,由于超聲振動(dòng)銑削過程中銑刀對(duì)切屑的裁切作用,不僅可以有效降低加工過程中的銑削力,還可以避免較長(zhǎng)切屑對(duì)銑削過程產(chǎn)生干擾,保證了銑削過程的穩(wěn)定。

3.3 表面粗糙度對(duì)比情況

為進(jìn)一步討論超聲振動(dòng)對(duì)切削的輔助作用,筆者對(duì)兩種切削加工后的工件表面粗糙度進(jìn)行分析,其表面形貌如圖10所示。

圖10 銑削表面微觀形貌

從圖10(a)可知:在普通銑削后,工件表面產(chǎn)生的紋理方向幾乎平行于主軸方向,工件表面形成了較深的切削條紋和溝槽,這和仿真結(jié)果基本保持一致;

圖10(b)為超聲振動(dòng)銑削加工的工件表面,雖然整體上依舊存在軸向切削條紋,但條紋整體深度較小,并沒有產(chǎn)生明顯的溝槽。

筆者將兩種加工方式形成的微觀形貌進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,盡管超聲振動(dòng)的引入并未完全消除工件表面的微觀條紋,但對(duì)于表面的質(zhì)量依舊有很大的改善。

接下來,筆者使用粗糙度檢測(cè)儀對(duì)工件表面不同位置的粗糙度Ra進(jìn)行測(cè)量,通過對(duì)比普通銑削和超聲振動(dòng)銑削后工件的粗糙度值,探究超聲振幅對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

試驗(yàn)工藝參數(shù)中,銑削深度、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、銑削寬度和振動(dòng)頻率保持不變,超聲振幅分別為1 μm、3 μm、5 μm、7 μm和9 μm,則表面粗糙度隨超聲振幅的變化情況如圖11所示。

圖11 表面粗糙度隨超聲振幅的變化情況

從圖11可知:在普通銑削(H=0 μm)加工中,工件表面的粗糙度最大,此時(shí)粗糙度平均值為0.33 μm;

隨著超聲振幅的增加,工件表面的粗糙度呈逐漸降低的變化趨勢(shì)。這是由于在軸向超聲振動(dòng)作用下,銑削時(shí)切削刃和工件之間高頻接觸和分離,形成的切屑發(fā)生斷裂,不會(huì)在銑刀表面形成積屑瘤;并且加工中工件表面受切削刃的往復(fù)碾壓,形成了近似于拋光的效果;

當(dāng)超聲振幅達(dá)到5 μm時(shí),表面粗糙度為0.16 μm,此后隨超聲振幅的進(jìn)一步增加,表面粗糙度沒有得到顯著降低,但粗糙度的方差相對(duì)更小,表明超聲振動(dòng)銑削后,工件表面粗糙度的差別較小[16]。

4 結(jié)束語

為了研究超聲振動(dòng)在鎂合金銑削加工中的輔助作用,筆者通過仿真軟件建立了鎂合金的銑削模型,分析了超聲振動(dòng)對(duì)銑削力和表面應(yīng)力的作用機(jī)理,并設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)銑削試驗(yàn),分析了超聲振動(dòng)對(duì)銑削力、切屑形態(tài)以及表面粗糙度的影響規(guī)律。

研究結(jié)論如下:

(1)超聲振動(dòng)改變了刀具與工件之間的切削軌跡和作用形式,從而大幅降低了鎂合金加工中受到的銑削力。試驗(yàn)結(jié)果顯示:X、Y和Z這3個(gè)方向的銑削力分別降低了37.2%、37.3%和20.9%;仿真和試驗(yàn)的銑削力誤差在4.1%～10.3%之間,表明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性;

(2)超聲輔助加工在刀柄上施加了高頻振動(dòng),刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡均呈現(xiàn)螺旋狀變化,使銑刀對(duì)切屑產(chǎn)生了剪切作用,既降低了銑削力,又保證了銑削過程的穩(wěn)定;

(3)與普通切削相比,超聲輔助切削通過控制超聲振動(dòng)的相位差,改變材料加工過程的切削機(jī)理,從而有效降低了工件表面粗糙度,提高了加工精度。隨著超聲振幅的增加,工件表面粗糙度呈下降趨勢(shì),當(dāng)超聲幅度達(dá)到5 μm時(shí),工件表面粗糙度為0.16 μm。

在后續(xù)研究中,筆者將進(jìn)一步分析超聲輔助加工中刀具的振動(dòng)情況,并采用模態(tài)分析結(jié)果來對(duì)超聲振幅進(jìn)行優(yōu)化,以期獲得最優(yōu)的超聲輔助加工加工參數(shù)。