高速銑削下6061 鋁合金銑削力模型及影響因素

張慶陽 李銘 席呂超

(①上海交通大學(xué)模具CAD 國家工程研究中心，上海 200030;②上海申模模具制造有限公司，上海 200030)

汽車匹配主模型檢具在大批量生產(chǎn)和整車裝配前，發(fā)揮著極為重要的作用，由于航空鋁合金強度與剛度比較好，抗應(yīng)力腐蝕能力強、材料較輕，所以汽車匹配主模型材料一般選用航空鋁合金［1-2］。檢具的加工一般采用高速銑削，由于加工完成一段時間后鋁合金檢具明顯變形，我們通過查閱資料以及相關(guān)因素的排查分析，認為是高速銑削過程中銑削力、銑削熱及裝夾等因素造成了殘余應(yīng)力的重新分布，殘余應(yīng)力的釋放造成了工件的變形［3］。

在查閱銑削力模型相關(guān)資料時發(fā)現(xiàn)，有關(guān)理論模型方面，閻兵［4］等將銑削力分為前刀面力、后刀面力以及刀刃上的耕犁力，提出一種新的螺旋刃銑刀銑削力模型;Altintas［5］根據(jù)球頭銑刀幾何模型提出動態(tài)銑削力模型。但這些目前流行的力學(xué)模型對于中小企業(yè)并不經(jīng)濟，基于正交試驗的經(jīng)驗?zāi)Ｐ透軡M足實際生產(chǎn)的需要。通過參考不同文獻發(fā)現(xiàn)，不同銑削參數(shù)范圍內(nèi)，銑削力經(jīng)驗公式相差極大，為確定符合企業(yè)實際生產(chǎn)時銑削參數(shù)的銑削力模型，我們采用多因素正交試驗法，并通過Matlab 線性回歸運算得到了6061 鋁合金銑削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

1 試驗

1.1 銑削力經(jīng)驗公式

工程中，銑削力經(jīng)驗公式對于不同的加工環(huán)境而言其構(gòu)建形式是完全不同的，尤其是對高速銑削下銑削力模型的研究較少。為此，需要根據(jù)實際加工環(huán)境進行切削試驗，以確定模型能貼合實際。銑削加工過程涉及4 個參數(shù)，根據(jù)金屬切削原理研究結(jié)論，在刀具幾何參數(shù)及加工材料確定的前提下，銑削力經(jīng)驗公式的通用形式為［6］:

式中:Ci是由材料、銑削條件確定的系數(shù);n 為轉(zhuǎn)速;ap為銑削深度;f 為進給速度;aw為銑削寬度;d 為銑刀半徑。在本文研究中，銑削刀具固定為φ8 mm 的平頭銑刀，所以aw及d 均可合并到常數(shù)系數(shù)中，于是公式變?yōu)?

對式(2)兩端取對數(shù)使之成為線性函數(shù)，即:

設(shè)其對應(yīng)的線性回歸方程為:

最終對實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸分析處理得到式(4)中參數(shù)，進而得到銑削力模型［7］。

1.2 試驗方案與設(shè)計

本試驗將轉(zhuǎn)速、進給速度、銑削深度作為試驗的3個因素，根據(jù)正交試驗表設(shè)計3 因素3 水平正交試驗如表1。

表1 正交試驗因素水平表

為了驗證銑削層數(shù)及材料厚度對銑削力有無影響，在確保銑削參數(shù)均為8000 r/min、1500 mm/min和0.4 mm 的條件下，特意設(shè)置了兩組梯度試驗(表2)進行驗證。

表2 梯度試驗水平表

1.3 試驗條件

試驗工件采用進口6061 鋁合金材料，形狀為長120 mm、寬80 mm，厚度分別為8 mm、12 mm 和16 mm的板材。銑削力試驗在DMU 60 monoBLOCK 高速加工中心上進行，采用“回”走刀，由內(nèi)向外，沒有使用任何冷卻。

銑削力通過瑞士Kistler9272 型三向動態(tài)測力儀進行測量，最終通過HRsoft_DW_V1.3 程序保存試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)及獲取數(shù)據(jù)形式連接如圖1。

試驗采用SWT 平頭銑刀，材料牌號為YG3X，銑刀尺寸為φ8 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果分析及模型驗證

正交試驗結(jié)果如表3 所示，其中銑削力結(jié)果以x、y、z 三個方向分力的形式表現(xiàn)出來。

表3 正交試驗結(jié)果表

將正交試驗各銑削用量及試驗結(jié)果代入Matlab中，運行Regress 函數(shù)進行回歸分析，即可得到式(4)中各項參數(shù)，得到銑削力模擬公式為:

表4 理論預(yù)測值與實測值比較分析

表5 梯度試驗結(jié)果表

盡管銑削力模型的假設(shè)有一定依據(jù)，但在求出模型之后，有必要進行顯著性檢驗。Matlab 所得的數(shù)據(jù)顯示，3 個方向銑削力模型的相關(guān)性系數(shù)分別為0.8512，0.8509，0.8038，均大于0.8 的相關(guān)性要求，顯著性水平為0.0164，0.0165，0.0322，其線性關(guān)系顯著。為了驗證該理論模型預(yù)測值的準確性，安排3 組數(shù)據(jù)來校驗理論值與預(yù)測值的符合程度，如表4。由表4 可以看出，X 向銑削力平均誤差為5.19%，Y 向為9.325%，Z 向為5.9459%，說明理論公式預(yù)測值與實測數(shù)據(jù)十分吻合，該模型可以用來預(yù)測該銑削參數(shù)范圍內(nèi)的銑削力大小。這為進一步研究工件在高速銑削加工過程的變形提供了有力支持。

2.2 材料厚度及銑削層數(shù)對銑削力大小的影響

為驗證厚度、銑削層數(shù)對銑削力的影響，特設(shè)計兩組梯度試驗，結(jié)果如表5。

從表5 的實驗結(jié)果可以看出，材料的厚度對于銑削力基本沒有影響，這是由于材料的厚度遠遠大于銑削的深度，導(dǎo)致厚度對銑削力基本沒有影響。隨著銑削層數(shù)的增加，銑削力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。分析這是因為上一層銑削完成后的銑削熱對下一層銑削材料造成了一定的熱影響，使下一層材料“變軟”易于加工。

3 結(jié)語

本文運用正交試驗及梯度試驗確定了鋁合金材料6061 平頭銑刀銑削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ图昂穸?、銑削層?shù)對銑削力的影響，并通過驗證試驗確定了模型的精確性。文中各項銑削參數(shù)雖然是根據(jù)實際生產(chǎn)中的參數(shù)范圍進行選用，但并沒有完全覆蓋精加工、粗加工所有的參數(shù)范圍，通過對文中范圍內(nèi)參數(shù)的研究，探究出一種可行的銑削加工模擬方法是下一步的研究重點。

［1］孫嘉繼，孔嘯，袁俊凇，等.6061 鋁合金球頭銑刀銑削力模型的實驗研究［J］.工具技術(shù)，2011，45(1):24 -27.

［2］孫嘉繼.6061 鋁合金薄壁件銑削加工試驗研究與參數(shù)優(yōu)選［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

［3］郭培燕.高速切削加工表面殘余應(yīng)力的分析和模擬［D］.濟南:山東科技大學(xué)，2007.

［4］徐超輝，閻兵.一種螺旋刃球頭銑刀的高速加工銑削力模型［J］.工具技術(shù)，2007，41(8):36 -40.

［5］Altintas Y，P LEE.Prediction of ball end milling force from orthogonal cutting data［J］.Mach.Tools.Manuf，1996(38):1059 -1072.

［6］趙之眉，丁儒林.金屬切削原理實驗指導(dǎo)書［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1984.

［7］王立濤，柯映林，黃志剛.航空鋁合金7050 -T7451 銑削力模型的實驗研究［J］.中國機械工程，2003(19):70 -72 +5.