銑削用量對鋁合金已加工表面殘余應(yīng)力的影響*

唐倩倩，趙先鋒，王東東，黃勤

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

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銑削用量對鋁合金已加工表面殘余應(yīng)力的影響*

唐倩倩，趙先鋒，王東東，黃勤

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：基于單因素試驗(yàn)法，在有限元分析軟件DEFORM-3D中模擬了硬質(zhì)合金刀具銑削7075-T6高強(qiáng)度鋁合金的加工過程，獲得了不同的銑削用量對已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量和切削深度的增加，工件表面的殘余應(yīng)力有不同程度地增大；而切削寬度的變化對表面殘余應(yīng)力影響不太顯著。研究結(jié)果為分析7075鋁合金零件后續(xù)的加工變形和表面質(zhì)量奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:鋁合金銑削用量殘余應(yīng)力DEFORM-3D

0引言

7075-T6鋁合金因強(qiáng)度高、耐熱性佳、比重小等特點(diǎn)，被廣泛使用于航空制造業(yè)中，用來制造飛機(jī)框架、桁條、機(jī)身等部位[1]。在切削加工過程中，工件殘余應(yīng)力的出現(xiàn)是無法避免的。加工表面的殘余應(yīng)力是衡量工件表面質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，它對零件的尺寸精度、形狀精度以及可靠性均有一定的影響，也是零件變形和開裂的主要原因[2]。所以，正確地預(yù)測加工表面殘余應(yīng)力，明確其與切削條件的相互關(guān)系對提高零件表面質(zhì)量和使用壽命有重要意義。

實(shí)際加工過程中正確測量切削溫度、應(yīng)力分布、應(yīng)變等極其困難，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)很難對切削加工機(jī)理進(jìn)行深入的研究。王素玉[3]等人建立二維有限元模型，得到了切削速度對工件表面不同方向殘余應(yīng)力的基本影響規(guī)律；王艷穎、黃志剛[4]基于正交切削模型，對航空鋁合金7050-7451進(jìn)行加工模擬，研究了直齒圓柱銑刀前角對已加工表面殘余應(yīng)力的影響。以上均采用的是二維切削有限元模型，而實(shí)際加工中幾乎全是三維切削，因此與二維切削有限元模型相比，三維有限元模型更接近真實(shí)切削過程，更具實(shí)際意義。

利用DEFORM-3D仿真軟件，對7075-T6高強(qiáng)度鋁合金的立銑削加工過程進(jìn)行模擬研究，以獲得主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、切削深度、切削寬度分別對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

1銑削模型的建立

1.1三維銑削模型的建立

對照DEFORM中的坐標(biāo)系，在SolidWorks三維軟件中建立銑刀三維模型如圖1，刀具主要參數(shù)如表1；并建立工件模型，如圖2。

圖1　銑刀的三維模型　　　　圖2　工件的三維模型

表1　銑刀主要的幾何參數(shù)

圖3　銑刀、工件的網(wǎng)格劃分情況

將刀具和工件的三維模型導(dǎo)入DEFORM-3D中，分別對兩者進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計算精度及運(yùn)算速度，對刀具的刀尖部分的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，并根據(jù)切寬和切深來細(xì)化工件表層的網(wǎng)格。圖3為當(dāng)切寬為1.5 mm，切深為0.5 mm時，工件和銑刀的網(wǎng)格劃分情況。

1.27075-T6鋁合金的材料參數(shù)

7075-T6鋁合金，密度ρ=2 810 kg/m3，彈性模量E=71 GPa，泊松比μ=0.33，其他參數(shù)如表2、3、4[5]。

表2　7075-T6鋁合金的熱導(dǎo)率

表3　7075-T6鋁合金的比熱容

表4　7075-T6鋁合金的線膨脹系數(shù)

1.3切屑的分離準(zhǔn)則

在多數(shù)有限元軟件中切屑分離準(zhǔn)則主要分為兩種：幾何分離準(zhǔn)則和物理分離準(zhǔn)則[6]。物理分離準(zhǔn)則首先對應(yīng)力、應(yīng)變等物理量進(jìn)行分析，然后判斷它們是否達(dá)到臨界值，當(dāng)目標(biāo)單元中的物理量超過了給定的切削材料相應(yīng)物理量臨界值時，則單元節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生分離。由于幾何分離準(zhǔn)則不能進(jìn)行殘余應(yīng)力問題的分析，故本文采用分析軟件DEFORM-3D基于物理分離準(zhǔn)則開發(fā)的切屑分離準(zhǔn)則，設(shè)置刀具與切屑接觸點(diǎn)的壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力值超過0.1 MPa時，單元節(jié)點(diǎn)分離[7]。

2銑削仿真過程及結(jié)果分析

本文采用的是單因素模擬試驗(yàn)方法，即在確定主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、切削深度和切削寬度中三個切削用量的前提下，分析余下單一切削用量變化對加工表面殘余應(yīng)力的影響。

2.1仿真過程

在DEFORM軟件中，對于加工表面殘余應(yīng)力的模擬分為四個階段：切削加工階段，卸載階段，約束轉(zhuǎn)換階段，冷卻階段[8]。

(1)切削加工階段

首先設(shè)置邊界條件以限制工件6個方向的自由度，并設(shè)置相應(yīng)的銑削用量以滿足單因素試驗(yàn)要求。在這個階段，銑刀按指定的切削參數(shù)，繞z軸旋轉(zhuǎn)，沿x軸方向做進(jìn)給運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對工件的切削。在切削過程中，工件持續(xù)受到了銑削力，發(fā)生塑性變形，并伴隨大量的熱產(chǎn)生。

(2)卸載階段

切削加工完成后，將銑刀卸載，使銑刀與加工表面分離，以去除銑刀對工件的作用力。

(3)約束轉(zhuǎn)換階段

去除在切削加工階段施加的約束及邊界條件，讓工件自由變形，內(nèi)應(yīng)力自由擴(kuò)展，以去除邊界約束對工件殘余應(yīng)力的影響。但在DEFORM-3D中，為限制工件的剛性運(yùn)動，對工件底面施加兩點(diǎn)約束。

(4)冷卻階段

該階段為模擬的最后階段，設(shè)置工件的外表面為熱交換面，使工件充分地冷卻，直至達(dá)到室溫20℃時，便去除了切削熱對工件內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變的影響。此時工件表面存在的應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。

2.2仿真結(jié)果分析

在銑削過程中，已加工表面殘余應(yīng)力以進(jìn)給方向殘余應(yīng)力為主。為了精確得出各銑削用量對進(jìn)給方向(x軸方向)殘余應(yīng)力的影響，每一組切削參數(shù)所得的仿真結(jié)束后，在工件上每隔0.3 mm~0.5 mm取一個點(diǎn)，共取五個點(diǎn)，并沿各點(diǎn)深度方向0.5 mm內(nèi)取20個節(jié)點(diǎn)，提取這五點(diǎn)殘余應(yīng)力值的平均值，作為該參數(shù)下工件進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力σx。

2.2.1主軸轉(zhuǎn)速對工件殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.05 mm/z、切削深度0.5 mm、切削寬度2 mm，主軸轉(zhuǎn)速分別為4 500 r/min、5 000 r/min、5 500 r/min、6 000 r/min時，其殘余應(yīng)力σx的分布情況如圖4所示。由圖可見，在不同銑削條件下，X方向殘余應(yīng)力值的變化趨勢大體相同，即殘余應(yīng)力沿著深度方向逐漸減小，降幅從大到小，而當(dāng)接近工件底層時，殘余應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)，分布較均勻；還可以看出，在試驗(yàn)所在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，工件表面均呈殘余壓應(yīng)力，并且隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，工件表面的殘余壓應(yīng)力略有增大，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速提高，切削溫度會相應(yīng)上升，由溫度引起的熱塑性變形起主導(dǎo)作用，致使殘余壓應(yīng)力相應(yīng)增大。

圖4　主軸轉(zhuǎn)速與殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.2.2每齒進(jìn)給量對工件殘余應(yīng)力的影響

主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，銑削深度0.5 mm，銑削寬度2 mm的條件下，分別在每齒進(jìn)給量為0.05 mm/z、0.06 mm/z、0.07 mm/z、0.08 mm/z的條件下進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5?？梢钥闯觯ぜ砻鎸拥臍堄鄳?yīng)力均為拉應(yīng)力，且隨著每齒進(jìn)給量的增加而增大，這是由于每齒進(jìn)給量的增大使工件去除率增大，產(chǎn)生的切削熱相應(yīng)增加，導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力增大；而隨著深度的增加，加工表面殘余應(yīng)力逐漸減小，從拉應(yīng)力過渡為壓應(yīng)力，其中每齒進(jìn)給量為0.07 mm/z時的工件殘余拉應(yīng)力減小的速度更快。

圖5　每齒進(jìn)給量與殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.2.3銑削深度對工件殘余應(yīng)力的影響

保持主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、每齒進(jìn)給量為0.05 mm/z、銑削寬度2 mm不變，銑削深度分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2 mm時，其殘余應(yīng)力分布情況如圖6?？梢钥闯觯ぜ砻婢鶠闅堄嗬瓚?yīng)力，隨著深度加深而逐漸減小；并且當(dāng)切削深度增大時，工件表面殘余應(yīng)力增大，這是因?yàn)榍邢魃疃仍龃螅ぜ牧系乃苄巫冃瘟吭龃?，切削力隨之增大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力對殘余應(yīng)力的影響也增大，故而拉應(yīng)力加大。

圖6　切削深度與殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.2.4銑削寬度對工件殘余應(yīng)力的影響

主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，每齒進(jìn)給量為0.05 mm/z，銑削深度為2 mm，銑削寬度分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2 mm時，仿真結(jié)果如圖7。圖中可看出，在該試驗(yàn)的切削寬度范圍以內(nèi)，工件表面均為殘余拉應(yīng)力，并且隨著切寬的減小，表面殘余應(yīng)力值并沒有明顯的變化，可見切削寬度對殘余應(yīng)力的影響不太顯著。

圖7　切削寬度與殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線

3結(jié)語

通過建立三維有限元銑削模型，對7075-T6鋁合金材料的切削加工過程進(jìn)行了模擬，分析得到了在不同的銑削條件下，殘余應(yīng)力沿深度方向逐漸減小，降幅從大到小，最后趨于平穩(wěn)。并利用單因素試驗(yàn)，研究了銑削過程中四個銑削用量對切削方向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，工件表面的殘余壓應(yīng)力增大；隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面殘余拉應(yīng)力增大；切削深度增大，表面殘余應(yīng)力增大；而切削寬度的變化對表面殘余應(yīng)力影響不太顯著。

仿真的分析結(jié)果對研究控制表面殘余應(yīng)力及提高表面質(zhì)量的方法有一定的指導(dǎo)意義。

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黃勤(1955-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)械加工技術(shù)及裝備、現(xiàn)代設(shè)計方法。

Influence of milling parameters on processed surface residual stress of aluminum alloy

TANG Qianqian，ZHAO Xianfeng，WANG Dongdong，HUANG Qin

Abstract:Based on one-factor experiment method, the milling process of high strength 7075-T6 aluminum alloy machined by carbide cutting tool is simulated through the DEFORM-3D FEM software, and the influence rule of milling parameters on processed surface residual stress is obtained. It shows that the surface residual stress increases at different degrees with the increase of the spindle speed, feed per tooth, and cutting depth; and the change of cutting width has little prominent effects on surface residual stress. The results have laid solid foundation for analyzing subsequent machining deformation and surface quality of 7075 aluminum alloy parts.

Keywords:aluminum alloy; milling parameters; residual stress; DEFORM-3D

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：唐倩倩(1989-)，女，貴州貴陽人，貴州大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代制造工藝及裝備。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51265005)。

中圖分類號：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0001-04