薄壁件立銑切削力的有限元模擬與實驗研究

王聰康，葉海潮，余祖西，姬 偉

WANG Cong-kang, YE Hai-chao, YU Zu-xi, JI Wei

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

0 引言

加工效率和加工質量是先進機械加工技術的研究核心。在航空航天制造業中，為了減輕重量，提高飛機和航天器的強度和機動性能，如飛機中的整體壁板、整體翼肋和發動機的渦輪葉片等薄壁件。這些構件形狀復雜，剛度弱，精度要求高，加工中采用數控銑削成型。然而，在銑削過程中，由于其弱剛度特征、殘余應力、過大切削力、裝夾力等因素作用所引起的工件變形，使得實際切削參數不等于名義值，增大加工誤差，從而降低加工精度及表面質量，甚至報廢。為此，很多做切削仿真學者[1～4]致力于二維正交切削的研究其加工變形對加工誤差的影響，而針對實際的三維斜角切削過程模擬研究的很少。因此，為了更好的發揮銑削仿真機能，提高實際加工精度和切削效率，筆者采用非線性功能強大的有限元求解器ABAQUS分析軟件，綜合考慮合理的斜角切削機理及材料物理性能，結合實驗，建立了有限元模型，并對實際加工諸多因素進行了優化，提高加工質量，實現了對加工過程中的物理因素進行更好的快速控制。

1 有限元分析模型

1.1 三維斜角銑削模型建立

系統采用ABAQUS有限元分析軟件的動力、顯式分析模塊。刀具單元選取為三角形單元，網格尺寸為0.51mm，單元類型為3節點三維縮減積分單元R3D3。工件網格采用局部網格技術，在應力較集中的部位采用較密的網格，網格尺寸為0.10mm，在距離切削較遠的部位采用較粗大的網格，網格尺寸為1.00mm，單元類型為六面體8節點三維實體縮減積分單元C3D8R。通過有限元軟件建立的有限元銑削模型如圖1所示。

圖1 斜角切削有限元模型圖

1.2 工件材料本構模型的建立

1.2.1 材料的本構關系

本文采用 Johnson-Cook準則來描述工件材料[5]。Johnson-Cook準則常用于模擬金屬材料從低應變率到高應變率下的動態行為，該模型利用變量乘積關系分別描述應變、應變率和溫度的影響。Johnson-Cook準則具體表述為：

1.2.2 材料的失效準則

隨著刀具的切入，當工件材料的等效塑性應變D達到1.0時，材料失效，實現被切單元與工件脫離。其失效準則是把每個工件單元定義為等效塑性應變：

1.3 材料的熱參數

材料的熱參數包括[6]：1）熱傳導率Tc；2）熱膨脹系數α；3）比熱c。鋁合金7075-T7451的熱參數值如下表1所示。

表1 鋁合金7075-T7451材料的熱參數

2 切削加工過程模擬

本研究刀具前角αn=19°，刃傾角γ=29°，寬度設為3.8mm，其材料性能參數如表2所示。工件尺寸為12mm×3mm×5mm，材料選定為航空鋁合金7075-T7451，其主要力學性能參數如表3所示，其他性能參數見參考文獻[6]。模擬分析過程，刀具切削線速度設為V=15 mm/s，切削深度為0.5 mm，進行模擬分析計算，具體模擬過程，如圖2所示。

表2 合金刀具材料參數

表3 7075-T7451鋁合金材料的力學性能參數

圖2 加工過程模擬

3 仿真結果與分析

3.1 切削力仿真值

切削力仿真模擬值，根據上文參數設定得到表4中X軸方向切削分力FT、Y軸方向切削分力FR、Z軸方向切削分力FA及切削合力F的仿真值，與實驗值進行數據比較。如圖3所示為工件—刀具所受的Force—Time圖。

3.2 切削力試驗值

為了驗證三維斜角切削數值模擬結果的精確性，本研究結合工廠常用銑削厚度的實驗值與仿真值進行比較。實驗工件材料為航空鋁合金7075-T7451，刀具采用與模擬中相同幾何角度的Φ16兩齒整體硬質合金立銑刀，螺旋角αh=30°。切削試驗是在高速精密五軸聯動米克朗UCP600 Vario數控加工中心上進行的，切削力測量采用Kistler9257B型三向壓電式測力儀。每一微段銑削保證寬度b=3mm，銑削厚度h設為 0.5 mm，測得銑削力如下表4中的FT、FR、FA及F的實驗值。其切削力測試系統如圖4所示。

圖4 切削力實驗測試系統

3.3 結果分析

在相同參數設置的條件下，對三個方向切削力及合力的仿真值與實驗值進行分析比較，如表4所示。

1）從表4中數據可知，FT、FR、FA及合力F方向的仿真值與實驗值誤差均小于9% ，其中X軸主方向切削力FT、合力F的仿真值與實驗值均很接近，精度很高，Y軸方向的切削力FR及Z軸方向的切削力FA誤差稍大。原因：實驗中銑刀變形，刀具前角及刃傾角稍有偏差導致，可進一步改善刀具參數及添加材料屬性，實現仿真的逼真性。

表4 切削力對比

2）從圖4中可以看出，當刀具剛剛完全切入工件時，各方向所受的力最大，且波動最大，之后逐漸在一平穩值上下波動越來越小。原因：隨著刀具切削刃的進入，切削力的逐漸增大，引起加工振動所致。

4 結論

1）本研究所建立的薄壁件銑削加工模型，獲得了加工過程中應力的分布規律，刀具所受的三個方向分力及合力的情況，優化了銑削參數。從結果分析中可以看出，較已有的有限元模型，加工過程模擬更貼近工程實際，從而驗證本三維斜角切削模擬的精確性。由于沒考慮刀具的磨損、機床的振動等因素的影響，導致模擬值與實驗值存在一定的誤差。如果進一步考慮各影響因素將會使模擬誤差更小。

2）刀具剛好完全切入工件時，振動最大，切削力最大。改善切削刀具參數，機床穩定性能可更好的保護刀具。

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