7050-T7451鋁合金鉆削加工參數(shù)優(yōu)化

關鍵詞：鉆削；7050-T7451鋁合金；有限元模擬；切削力；切削溫度

0引言

隨著裝備制造輕量化水平的提高，鋁合金結構件在航空航天、汽車和農(nóng)業(yè)機械等先進制造領域得到廣泛應用和發(fā)展。結構件的裝配需要進行大量的孔加工，據(jù)統(tǒng)計，目前鉆孔工序在航空航天制造業(yè)的機械加工中約占70%?？椎募庸べ|量對產(chǎn)品的性能及壽命具有決定性影響。然而，鋁合金加工過程中容易出現(xiàn)切屑黏結及毛刺等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)積屑瘤，其引起的加工振動會加劇刀具磨損，甚至產(chǎn)生刀具破損，大大提高了加工成本，降低了加工質量。

有學者對7075鋁合金的超聲振動切削性能機理及超聲振動對表面性能、疲勞行為和切削殘余應力等的具體影響進行研究[1-5]。岳修杰等[6]對7075鋁合金高速銑削的刀具磨損機理及表面質量進行了研究。唐英等[7]以鋁合金高速微小孔鉆削為研究對象，分析了切削參數(shù)對鉆削軸向力和扭矩的影響。徐曉霞等[s]建立了2024-T3鋁合金鉆削過程三維有限元仿真模型，對鉆削過程中鉆入和鉆出階段的毛刺進行了分析。ZEDANY等[9]探討了6061-T6鋁合金鉆削過程中切削液的使用方式及切削參數(shù)對零件加工質量的影響。QIUKX等[10]采用改進幾何角度后的麻花鉆對7075-T651鋁合金進行了試驗研究，結果表明，改進后的麻花鉆與常規(guī)麻花鉆相比，在相同條件下鉆削力和扭矩分別降低21.16%和90.48%。王丹丹等[11]結合試驗法和經(jīng)驗建模法研究了硬質合金鉆頭在鋁合金鉆削過程中的切削力及其變化規(guī)律，對切削機理進行了進一步分析。何亞銀等[12]基于Deform分別建立了軸向振動鉆削和傳統(tǒng)鉆削的有限元模型，對軸向切削力、扭矩和切屑形態(tài)進行了比較。GIASIN K等[13]采用TiAIN涂層硬質合金麻花鉆，研究了切削參數(shù)對航空鋁合金2024-T3切削力和孔加工質量的影響。馬良花[14]采用兩刃和三刃麻花鉆對7055-T6鋁合金的鉆削過程進行有限元仿真，結果發(fā)現(xiàn)，有限元預測結果和試驗結果一致性良好。LECOZG等[15]研究了刀具幾何形狀對7075鋁合金鉆削軸向力和切削溫度分布的影響。

大量的研究集中在優(yōu)質刀具材料的選取，但是加工成本會急劇升高。有限元法雖然得到了廣泛的應用，但是針對鉆削加工的三維有限元模擬仍然需要進一步的研究和驗證。因此，本文以7050-T7451鋁合金為研究對象，采用含鈷高速鋼麻花鉆，結合試驗法和有限元法分析主軸轉速n、進給速度f和麻花鉆頂角對切削力、切削溫度和切屑形態(tài)的影響，為鋁合金鉆削參數(shù)和刀具角度的選擇提供幫助。

1試驗材料及設備

7050-T7451鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁，具有質量輕、強度高、抗疲勞等優(yōu)良機械性能。隨著裝備輕量化要求的提高，7050-T7451鋁合金被廣泛地應用于航空航天、汽車等產(chǎn)品制造。其密度為2830kg/m3，彈性模量為70.3 GPa，泊松比為0.33，熔點630℃。

采用飛達含鈷高速鋼麻花鉆（圖1）在牧野S33型立式加工中心進行7050-T7451鋁合金鉆削試驗。麻花鉆直徑D為6mm，頂角為118°，螺旋角），為35°。工件尺寸為170mmx100mmx10mm。在試驗過程中采用Kistler-9257b壓電式測力儀對切削力進行測量。

2有限元建模

為了降低計算成本，只選取麻花鉆刀尖部分和參與切削工件部分進行建模，建立較真實的三維模型，如圖2所示。由于刀具和工件材料的剛性差距較大，為了提高計算效率，將刀具設定為剛體屬性。

采用J-C（Johnson-Cook）本構模型描述金屬切削過程的塑性流動行為，7050-T7451鋁合金J-C模型的取值如表1所示。A、B、C、K和m是材料物理特性常數(shù)。使用ABAQUS中定義的失效位移描述材料的斷裂行為。刀具和工件表面之間采用面一面接觸屬性，庫倫摩擦系數(shù)取0.3，環(huán)境溫度（室溫）設為20℃。

3結果及討論

3.1鉆削力分析

切削過程中切削力對切削加工質量、機床振動及刀具壽命等具有非常大的影響。鉆削過程中軸向力為主切削力，對切削過程具有主導性影響。圖3a展示了連續(xù)鉆孔過程中軸向鉆削力的變化曲線，圖3b給出了軸向鉆削力有限元模擬的預測結果，其中n=7000r/min，f=640mm/min。為驗證三維有限元模型的準確性，在3組不同切削參數(shù)條件下進行鋁合金鉆削試驗。由表2可知，軸向鉆削力的預測誤差均在15%以內，表明本文建立的三維有限元模型可以比較準確地對鋁合金鉆削力進行預測，滿足工程應用的需要。n、f和對鉆削力的影響如圖4所示，切削力隨著n增大呈現(xiàn)下降趨勢；隨著f增加，切削力逐漸增大。此外，軸向力試驗值和模擬值展現(xiàn)出較好的一致性，進一步證明了建立的有限元模型的準確性。

3.2切削溫度分析

金屬切削是一個伴隨著高溫、高應變及高應變率的復雜非線性過程。高溫是一個重要的特征，在切削過程中切削溫度的升高主要因為材料的彈塑性變形及摩擦熱引起。而現(xiàn)有技術很難對切削過程中瞬時溫度進行精確測量，因此有限元模擬對切削過程中切削溫度的預測研究成為試驗法的重要補充。不同時間時刀具溫度場分布如圖5所示。

n、f對鉆削過程切削溫度的影響如圖6所示。

由圖6a可知，隨著主軸轉速的升高切削溫度逐漸升高，當主軸轉速超過9000r/min時切削溫度的升高趨勢減緩。主要原因是主軸轉速的升高使得切削速度增大，大量的切削熱來不及傳遞到刀具而被切屑帶走，導致在超過一定切削速度時切削溫度升高的趨勢減緩。

由圖6b可知，切削溫度隨著進給速度的增大顯著升高。由于進給速度的增大使得參與切削的工件材料增多，材料變形產(chǎn)生的熱量增加，并且刀一屑之間的摩擦熱增加，導致切削溫度迅速升高。

由圖6c可知，麻花鉆頂角的增大，導致刀具變“鈍”，切削力和摩擦力的增大引起切削溫度的劇烈升高。

3.3切屑形態(tài)分析

主軸轉速n對切屑形態(tài)的影響如圖7所示。切屑形態(tài)的變化非常明顯，隨著n的升高切屑變細，并且切屑黏結情況加劇，進而導致鉆削質量下降。

進給速度f對切屑形態(tài)的影響如圖8所示。隨著f的升高切屑變寬，同時切屑黏結情況加劇，當進給速度達到850mm/min后，切屑黏結嚴重無法正常排屑，惡化鉆削質量。

7050-T7451鋁合金鉆削過程容易出現(xiàn)黏屑和毛刺等問題，對后續(xù)裝配連接等環(huán)節(jié)的質量產(chǎn)生消極影響。本文采用試驗法和有限元法相結合的方式，分析了切削參數(shù)和刀具角度對鉆削軸向力、切削溫度和切屑形態(tài)的影響，為鋁合金鉆削加工機理研究和參數(shù)優(yōu)化選擇提供了指導。基于上述研究結果，推薦7050-T7451鋁合金鉆削參數(shù)為n=9000r/min、f=425mm/min及頂角可選擇麻花鉆的標準幾何角度=118°。生產(chǎn)驗證結果表明，在優(yōu)化切削參數(shù)條件下，刀具壽命達到50～70個孔，尺寸精度和孑L口質量較高，未出現(xiàn)黏屑及明顯的毛刺，能夠滿足生產(chǎn)需求。圖9展示了7050-T7451鋁合金鉆削入口和出口處的加工質量情況。

4結束語

（1）鉆削軸向力試驗值和模擬值的對比結果表明，軸向力的預測誤差均在15%以內，證明了建立的7050-T7451鋁合金鉆削三維有限元模型的準確性和可行性，滿足工程應用需要。

（2）主軸轉速n、進給速度f和麻花鉆頂角對軸鉆削力和切削溫度影響顯著。隨著n的升高，切削力具有下降趨勢，切削溫度逐漸升高，而超過9000r/min時，溫度升高的速度減緩；切削力和切削溫度均隨著f和的增大而顯著升高。

（3） 7050-T7451鋁合金合理的鉆削參數(shù)為n=9000r/min、f=425mm/min及麻花鉆頂角=118°。驗證結果表明，孔的尺寸精度和孔口質量較高，未出現(xiàn)黏屑及明顯的毛刺，能夠滿足生產(chǎn)需求。