基于CUTPRO的7075-T6鋁合金高速銑削參數(shù)優(yōu)化研究

趙 慧 ，史清衛(wèi)

（1.天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.中國輕工業(yè)精密模具工程技術(shù)研究中心，天津 300350）

0 引言

鋁合金具有密度低、成形性能好、熱處理強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車及船舶領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鋁合金材料通常熔點(diǎn)低、塑性大，在加工過程中會出現(xiàn)變形及積屑瘤等問題。優(yōu)化切削參數(shù)是提高鋁合金加工質(zhì)量和效率的有效方法，但傳統(tǒng)優(yōu)化方法忽略了加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的測量設(shè)備和高性能計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到金屬切削加工領(lǐng)域的研究中。研究人員以切削力、切削溫度、表面粗糙度及加工變形等參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，針對鋁合金高速銑削過程開展了科學(xué)研究，在切削參數(shù)優(yōu)化方面取得了顯著的成就。Y ALTINTAS等[1]改進(jìn)了銑削顫振穩(wěn)定性的計(jì)算公式，將切削力系數(shù)設(shè)為常數(shù)，提高了研究效率。翁澤宇等[2]建立了加工系統(tǒng)的三維動力學(xué)模型，并通過車削試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性。彭翀等[3]開發(fā)了基于Web的數(shù)控銑削顫振穩(wěn)定域仿真系統(tǒng)，得到了參數(shù)優(yōu)化的遠(yuǎn)程仿真工具和方法，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。WANG B等[4]建立了考慮力和變形的角接觸球軸承五自由度模型和主軸-刀架-刀具連接處的分布彈簧模型，為優(yōu)化加工和提高切削穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。李鑫等[5]基于CUTPRO軟件實(shí)現(xiàn)了航空薄壁零件的參數(shù)優(yōu)化，有效避免了刀具和機(jī)床的損壞。楊毅青等[6]基于模態(tài)試驗(yàn)研究了不同進(jìn)給方向和主軸位置下的穩(wěn)定性。李春奇等[7]優(yōu)化了空氣層壓板鉆孔中的切屑去除和毛刺參數(shù)。JIANG Z X等[8]對TC4鈦合金進(jìn)行了端銑試驗(yàn)，研究了金屬加工過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性。韓旭[9]建立了面銑削加工系統(tǒng)動力學(xué)模型，利用切削動力學(xué)測試軟件CUTPRO仿真計(jì)算顫振穩(wěn)定域，求得無顫振下的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度，為面銑削切削用量的選擇提供理論依據(jù)。CHIEN V N等[10]結(jié)合田口法和CUTPRO軟件實(shí)現(xiàn)了SKD61鋼硬銑削加工的多目標(biāo)優(yōu)化。NGUYEN H T等[11]通過槽銑削試驗(yàn)確定了刀具材料配對的平均切削力系數(shù)，基于CUTPRO軟件進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明在穩(wěn)定切削區(qū)域內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速和軸向切削深度是硬銑削加工的重要參數(shù)。

7075-T6屬于Al-Zn-Mg系精密加工/模具用鋁合金，抗腐蝕性能及力學(xué)性能優(yōu)良，主要用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其他要求強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)上、下翼面壁板、桁條等[12,13]。7075-T6鋁合金化學(xué)成分及含量如表1所示。

表1 7075-T6鋁合金化學(xué)成分及含量 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

以下基于CUTPRO9.0軟件對7075-T6鋁合金進(jìn)行了高速銑削參數(shù)優(yōu)化。通過錘擊試驗(yàn)得到了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，然后基于顫振穩(wěn)定域選取優(yōu)化參數(shù)，對切削過程進(jìn)行動態(tài)仿真，最后通過銑削試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化的可行性。

1 錘擊試驗(yàn)

為了獲得處理系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，在立式加工中心上進(jìn)行錘擊試驗(yàn)。采用硬質(zhì)合金立銑刀，直徑為φ10 mm，表2所示為所用刀具的相關(guān)參數(shù)。

表2 刀具參數(shù)

圖1所示為錘擊試驗(yàn)裝置，組成測試系統(tǒng)的構(gòu)件包括：MSC-1沖擊力錘；對應(yīng)500 kg力傳感器；YD67型加速度計(jì)，電荷靈敏度為0.3 pC/ms-2，頻率范圍為1～18 000 Hz；四合一兩通道電荷放大器；USB接口四通道數(shù)據(jù)采集卡AD8304。

圖1 錘擊試驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)過程中，排除靜電、噪聲、刀具材料的影響，以保證錘擊試驗(yàn)的可靠性。錘擊試驗(yàn)在加工系統(tǒng)的X和Y兩個(gè)正交方向上進(jìn)行，每個(gè)方向需要測試5組數(shù)據(jù)。此外，試驗(yàn)過程中錘擊系統(tǒng)將自動接收信號，可獲得加工系統(tǒng)在X和Y方向上的頻響函數(shù)。

2 顫振穩(wěn)定域模擬

基于頻響函數(shù)對顫振穩(wěn)定域進(jìn)行了仿真。銑削2.5軸模塊需要設(shè)置一系列參數(shù)，包括刀具參數(shù)、毛坯參數(shù)和切削參數(shù)，必須正確選擇X和Y兩個(gè)方向的頻率響應(yīng)函數(shù)。圖2所示為加工系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定域葉瓣圖，曲線上方為共振區(qū)，下方為穩(wěn)定域，即為優(yōu)化切削參數(shù)的選擇區(qū)域。

圖2 顫振穩(wěn)定域葉瓣圖

圖2中“+”表示傳統(tǒng)切削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，切削深度為0.3 mm）的位置，“×”表示改善切削參數(shù)的位置。由圖2可以看出，初始參數(shù)也處于顫振穩(wěn)定區(qū)，但加工效率較低；為了提高加工效率，主軸轉(zhuǎn)速n的取值為9 000～12 000 r/min，切削深度ap＜4 mm，表3所示為所選5組的參數(shù)值。

表3 切削參數(shù)組合

3 切削過程動態(tài)模擬

為了進(jìn)一步研究銑削過程的穩(wěn)定性，利用頻響函數(shù)和表2中的切削參數(shù)對銑削過程進(jìn)行了動態(tài)仿真。通過分析切削用量對加工質(zhì)量和加工效率的影響，確定優(yōu)化切削參數(shù)。表4所示為動態(tài)模擬的結(jié)果，其中，F(xiàn)y為主切削力的最大值；Rmax和Ravg分別指表面粗糙度的最大值和平均值。

表4 銑削動態(tài)仿真結(jié)果

通過數(shù)據(jù)對比可以看出，切削參數(shù)對加工系統(tǒng)穩(wěn)定性有較大影響，說明對切削參數(shù)進(jìn)行研究的必要性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切削力、主軸功率和主軸扭矩隨切削深度ap的增大而增大，隨主軸轉(zhuǎn)速n的增大近似呈減小趨勢。第2組銑削參數(shù)和第1組相比，切削加工效率下降，但加工質(zhì)量并未改善。在第3～5組銑削參數(shù)條件下的加工過程提高了加工效率，而加工質(zhì)量急劇下降。

圖3所示為第1組切削參數(shù)條件下動態(tài)模擬的預(yù)測結(jié)果，切削力、刀具振動、主軸扭矩、主軸功率和表面粗糙度值較小，且變化趨勢穩(wěn)定，表面粗糙度在Ra0.003 2 mm以內(nèi)。因此，結(jié)合表4中的數(shù)據(jù)，選取高速銑削7075-T6鋁合金的優(yōu)化切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=11 950 r/min，切削深度ap=0.8 mm。

圖3 第1組切削參數(shù)條件下銑削仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化切削參數(shù)的有效性，在加工中心上開展銑削試驗(yàn)。表5列出了傳統(tǒng)和優(yōu)化銑削參數(shù)的具體值。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)

圖4比較了2種切削參數(shù)條件下銑削的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=8 000 r/min、軸向切深ap=0.3 mm時(shí)，完成圖4中材料去除過程需要120 s；而采用優(yōu)化后的切削參數(shù)n=11 950 r/min、ap=0.8 mm時(shí)，去除相同材料花費(fèi)的時(shí)間僅為40 s，加工效率提高了3倍。

圖4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

傳統(tǒng)銑削參數(shù)獲得的已加工表面的粗糙度為Ra0.012 1 mm，優(yōu)化銑削參數(shù)條件下已加工表面粗糙度下降到Ra0.002 5 mm，表明參數(shù)優(yōu)化后提高了已加工表面質(zhì)量。優(yōu)化銑削參數(shù)條件下已加工表面粗糙度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測量值誤差為12%，說明采用CUTPRO進(jìn)行銑削參數(shù)優(yōu)化的可靠性。

此外，從圖4還可以看出，在傳統(tǒng)銑削參數(shù)條件下已加工表面出現(xiàn)大量的毛刺，而優(yōu)化銑削參數(shù)后毛刺消失。因此，優(yōu)化銑削參數(shù)能有效提高7075-T6鋁合金高速銑削加工效率和質(zhì)量。

5 結(jié)束語

為提高7075-T6鋁合金高速銑削加工效率和加工質(zhì)量，基于CUTPRO9.0進(jìn)行了切削參數(shù)優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論。

（1）在機(jī)床與刀具組合的系統(tǒng)上進(jìn)行了錘擊試驗(yàn)，并通過CUTPRO9.0軟件中的MALTF傳遞函數(shù)分析模塊獲得了加工系統(tǒng)的頻響函數(shù)；據(jù)此，在特定切削深度條件下進(jìn)行了顫振穩(wěn)定域仿真，獲取了無顫振條件下的顫振穩(wěn)定域葉瓣圖（主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深關(guān)系圖）。

（2）依據(jù)顫振穩(wěn)定域葉瓣圖選取5組銑削參數(shù)組合，通過銑削過程動態(tài)仿真獲得了不同銑削參數(shù)條件下切削力、刀具振動、主軸扭矩、主軸功率和表面粗糙度的預(yù)測結(jié)果。對比分析確定7075-T6鋁合金高速銑削優(yōu)化切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=11 950 r/min，切削深度ap=0.8 mm。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，優(yōu)化銑削參數(shù)加工效率較原來提高了3倍，已加工表面粗糙度降低了79.3%，且有效解決了7075-T6鋁合金高速銑削出現(xiàn)的毛刺問題。