基于Matlab的薄壁零件銑削過程仿真

龔葉利，施曉春，劉 俊，章學磊，汪通悅，孫全平

(淮陰工學院數字化制造技術實驗室，江蘇淮安223003)

薄壁零件主要是指壁厚＜2 mm的零件，主要由若干側壁和腹板組成。通常它們結構形狀復雜，剛度較低，加工余量大，工藝性差，在切削力、切削熱、切削顫振等因素影響下，極易發生加工變形和切削振動，不易控制加工精度和提高加工效率，這成為該類零件加工的重要約束。本文利用MIKRON UCP800 DURO高速加工中心和相關儀器，針對2A12鋁合金薄壁結構零件進行切削試驗，測量出加工過程中的切削力、切削振動位移等，并編制Matlab仿真程序，得出仿真的力和試驗測量的力進行比較，從而對加工過程進行準確的評價。

1 動態銑削力系數測定試驗

切削力是加工過程中的重要物理現象之一，直接影響刀具磨損和使用壽命，并使刀具和工件變形，引起切削振動，從而降低加工精度、已加工表面質量和生產效率。研究切削力的大小及分布規律和計算方法，建立準確的力學模型，將有助于分析切削機理和合理制定切削用量，對生產實際有著重要意義。在模型的驗證、仿真時，預測的銑削力系數的準確性程度就成為關鍵。本文根據文獻[1～2]提出的快速標定法，和文獻[3]提出的慣性修正法，測定了硬質合金立銑刀加工2A12鋁合金材料的銑削力系數。這也為后續進行準確的預測和仿真奠定了良好基礎。

試驗設備：

(1)機床：MIKRON UCP 800 DURO五坐標加工中心；

(2)工件材料：2A12鋁合金；

(3)刀具：硬質合金兩齒立銑刀，刀尖圓角半徑1.5 mm，刃長10 mm，直徑12 mm；

(4)試驗參數：n=10 000 r/min；軸向切深 ap=1mm；每齒進給量fz從0.04～0.12 mm/z，增量為0.01 mm/z；

(5)測力裝置：試驗選用 YD-Ⅲ05A三向測力儀、YE5850B電荷放大器、PCI-9118數據采集卡和通用切削力測試系統-GDFMS軟件。

根據試驗所得數據，對立銑刀切向和徑向銑削力分別進行回歸分析處理，由公式(3)可以計算得到如下銑削力系數：

Ktc=624.40 MPa；Kte=50.11MPa；KYC= －285.34 MPa；KYC=－48.75 MPa；

試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗現場

2 薄壁零件加工試驗

梁類薄壁零件，是最容易振動的零件之一。本文以梁類薄壁零件為對象，將高120 mm，長60 mm，厚9 mm的2A12鋁合金工件，安裝在QKG50平口鉗上，夾持高度25 mm。再將臺虎鉗QKG50平口鉗固定在測力裝置上，最終加工出壁厚為1.5 mm的薄壁零件。加工現場和加工的零件分別如圖2和3所示。具體加工參數見表1。

圖2 薄壁零件加工現場

圖3 加工的實物

表1 銑削參數

3 基于Matlab銑削過程仿真及驗證

Matlab是當今最優秀的科技應用軟件之一，具有強大的功能，在許多科學領域中成為計算機輔助設計和分析、應用開發的基本工具。我們利用Matlab軟件編制仿真程序，將銑削力系數、試驗參數等代入程序中，得到銑削力仿真圖，并與實測圖進行了比較。

部分程序段如下：

clear;

a=0.5;c=0.15;n=9000;

fi_st=0;fi_ex=pi/3;%fi_st指切入角，fi_ex指切出角；

D=12;N=2;beta=pi*30/180;

Ktc=624.40;Krc=-285.34；

Kte=50.11;Kre=-48.75;

deta_fi=pi/100;%積分角度

deta_a=0.01;%積分高度

fi_p=2*pi/N;%刀具齒間角

K=6*pi/deta_fi;%角向積分步數

L=a/deta_a;%軸向積分步數

for i=1:K

Fx(i)=0;Fy(i)=0;Fz(i)=0;Ft(i)=0;fi(i)=0;

.....

在薄壁零件銑削加工中的切削振動，主要是由Y方向力的變化引起的，選取Y方向的銑削力進行分析、驗證，可以直接反映力對加工過程的影響。

我們隨機抽取了兩組試驗進行對比。

將表1的第一組參數，以及切出角fi_ex=pi/3代入，運行程序獲得切削力仿真圖，如圖4a所示，實際試驗的Y方向切削力圖(截取放大后，下同)，如圖4b所示。

圖4 第一組參數切削力仿真圖

從圖中可看出，仿真圖Y向切削力峰值接近80 N，而實測試驗的切削力峰值是80 N，相差無幾。說明計算出的動態銑削力系數和編制的Matlab仿真程序精度較高。

將表1的第四組參數，以及切出角fi_ex=7×pi/18代入，運行程序獲得切削力仿真圖，如圖5 a所示，實際試驗的Y方向切削力圖如圖5 b所示。

圖5 第四組參數切削力仿真圖

仿真圖Y向切削力峰值80 N，實測圖Y向切削力峰值83 N，相差3 N。可能是由機床、夾具、試驗采集等各種誤差因素，以及加工時的切削振動造成的，在正常范圍內。

可見，測出的動態銑削力系數和編制的Matlab仿真程序精度較高。

4 結束語

本文利用高速加工中心和相關儀器，進行2A12鋁合金材料薄壁結構零件切削試驗，測量加工過程中的切削力等參數，得出2A12鋁合金材料的高速加工的切削力系數，再利用Matlab編制仿真程序，得出切削力仿真圖，并與試驗結果進行比較。Matlab仿真程序基本能夠反映薄壁零件加工過程中銑削力大小的變化。有了動態銑削力和Matlab仿真程序的正確保證，為后續薄壁零件銑削加工工藝研究奠定了基礎。

[1]E.Budak.Analytical Models for high performance milling.Part I:Cutting forces,structural deformations and tolerance integrity[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture 2006，46(12-13)：1478-1488.

[2]Altintas,Y.Manufacturing Automation–Metal Cutting Mechanics,Machine tool Vibration and CNC design[M].University of British Columbia，2002.

[3]汪通悅，何 寧，李 亮，等.基于慣性修正的銑削力系數辨識[J].裝備制造技術，2009，(2)：4-6.

[4]李忠群.復雜切削條件高速銑削加工動力學建模、仿真與切削參數優化研究[D].北京：北京航空航天大學，2008.

[5]梁睿君.薄壁零件高速銑削穩定性極限預測研究[D].南京：南京航空航天大學,2007.