鋁合金銑削殘余應(yīng)力的研究進(jìn)展

董章國

[航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850]

引 言

隨著我國航空工業(yè)的飛速發(fā)展，航空用大型鋁合金整體結(jié)構(gòu)件因具有強(qiáng)度高、自身重量輕、承載能力大及抗破壞能力強(qiáng)等特點(diǎn)而在新一代航空產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。但由于整體結(jié)構(gòu)件在銑削加工過程中普遍存在加工變形的問題，抑制乃至消除加工變形以提高整體結(jié)構(gòu)件的加工精度己為大家所關(guān)注。研究表明已加工表面殘余應(yīng)力對(duì)零件的使用性能有著重要的影響，殘余拉應(yīng)力會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，而殘余壓應(yīng)力卻恰恰相反，由于各部分的殘余應(yīng)力分布不均勻還會(huì)使工件發(fā)生變形，影響工件的形狀精度和尺寸精度。因此，研究加工表面殘余應(yīng)力對(duì)保證零件表面質(zhì)量有重要意義。

一、鋁合金銑削殘余應(yīng)力理論研究進(jìn)展

鋁合金銑削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是加工表面不均勻塑性變形的綜合結(jié)果。銑削過程分析殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，主要有三部分：①由銑削力引起的殘余應(yīng)力，鋁合金材料在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生殘余應(yīng)力；②由熱引起的殘余應(yīng)力，表層材料經(jīng)加工升溫再冷卻至室溫，體積收縮且受到里層材料的牽拉，在加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；③由相變引起的殘余應(yīng)力，加工表面溫度升高至臨界點(diǎn)，表層鋁合金組織發(fā)生相變導(dǎo)致體積變化，因而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。了解殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理有助于得到更貼合實(shí)際的仿真結(jié)果。完美模擬銑削過程的先決條件是獲得有限元建模的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括材料的本構(gòu)模型、切屑分離準(zhǔn)則、刀具與切屑間的摩擦關(guān)系等。在對(duì)鋁合金進(jìn)行銑削仿真之前，不僅要分析殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，還需根據(jù)實(shí)際情況，完成本構(gòu)方程的改進(jìn)，切屑分離準(zhǔn)則及刀—屑接觸摩擦類型的選擇等工作。

二、進(jìn)給速度對(duì)銑削窄槽特征結(jié)構(gòu)的影響

試驗(yàn)中切削速度130m/min、切削深度20μm 為恒定因素，變量為進(jìn)給速度。隨著進(jìn)給速度F 增大，銑削窄槽底面粗糙度均增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度的增大使銑削方向的切削力Fy 增大，從而使材料去除率增大，切出較大的切屑，導(dǎo)致切屑與窄槽底面磨損較大，積屑變得嚴(yán)重，使表面粗糙度增大；隨著進(jìn)給速度的增大，銑削表層殘余應(yīng)力也隨之增大。隨著進(jìn)給速度的增大，材料去除率變大，銑削力和溫度變化增大，銑削表層遺留的殘余應(yīng)力也隨之增大；銑削的窄槽底面，隨著進(jìn)給速度增大，刀痕越來越平緩，邊緣毛刺變大而且窄槽底面缺損也越來越嚴(yán)重。

三、銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響

銑削溫度隨著切削速度的升高而增大，溫度從180℃增大至286℃，增加了106℃，材料內(nèi)部應(yīng)變率隨著切削速度的增大而增大，造成工件材料溫度也上升。銑削溫度隨著每齒進(jìn)給量和銑削寬度的增加而變大，分別增大了71℃和39℃，銑削深度對(duì)銑削溫度的影響極小。

四、鋁合金銑削殘余應(yīng)力仿真研究進(jìn)展

有限元法（FEM）作為預(yù)測(cè)加工變形和殘余應(yīng)力常用的數(shù)值方法，在如何制造出精度更高的零件這一問題上發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)外學(xué)者憑借FEM 手段在銑削殘余應(yīng)力領(lǐng)域取得了諸多成果。從銑削刀具的角度出發(fā)，研究了切削刃形狀影響加工表面殘余應(yīng)力分布的有限元模型。仿真模擬發(fā)現(xiàn)，隨著平均切削刃半徑的增大，表面拉伸殘余應(yīng)力值和最大壓縮殘余應(yīng)力值呈增大趨勢(shì)。與使用珩磨加倒角切削刃相比，平均切削刃半徑較小的切削刃可以顯著減小表層殘余應(yīng)力。以切削參數(shù)為切入點(diǎn)，通過有限元模擬和試驗(yàn)分析了刀具和工藝參數(shù)對(duì)鋁合金正交切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響，并在有限元模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)的結(jié)果與有限元仿真模擬的結(jié)果非常吻合，說明OuteiroJ.C.等提出的有限元模型適用于研究切削參數(shù)對(duì)加工殘余應(yīng)力的影響。研究還指出，采用斷續(xù)切削可以限制表面殘余應(yīng)力的增大。以鋁合金6061 為例，提出一種綜合建模方法來預(yù)測(cè)由銑削殘余應(yīng)力引起的變形，更精確地反映了切削參數(shù)與銑削殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。首先利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)（R SD）建立了一種新的模型，可以根據(jù)不同的切削參數(shù)預(yù)測(cè)工件沿切削方向的殘余應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)估算的應(yīng)力分布和材料力學(xué)理論推導(dǎo)出撓度公式，并進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確地估計(jì)給定切削參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布，從而有效地預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力引起的工件變形。經(jīng)典有限元方法在靈活性和精度方面存在局限性，為了突破這種局限，提出了一種基于水平集的方法來定義獨(dú)立于工件網(wǎng)格的切削路徑。這種定義方式解決了以往仿真試驗(yàn)中，切削路徑與由初始幾何形狀定義的工件網(wǎng)格不匹配的問題，大大提高了機(jī)翼零件的銑削仿真精度。同時(shí)采用水平集方法對(duì)模型中刀具軌跡進(jìn)行定義，多次加工過程之間無需重新嚙合，節(jié)省了大量計(jì)算時(shí)間。這種方法可以用于新航空航天部件的抗畸變?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)，通過仿真來預(yù)測(cè)任何新概念部件的變形行為。鋁合金表面的殘余應(yīng)力經(jīng)過銑削加工后，會(huì)發(fā)生一定程度的重分布。

結(jié) 語

經(jīng)過綜合國內(nèi)外不同學(xué)者對(duì)鋁合金銑削殘余應(yīng)力的有限元仿真研究成果，可以得出以下結(jié)論：控制切削過程中的一些條件，如減小切削刃幾何半徑、采用斷續(xù)切削方式、用水平集方法重新定義切削路徑等，可以有效減輕由加工殘余應(yīng)力帶來的鋁合金變形問題，同時(shí)可以提高有限元仿真的準(zhǔn)確性。從不同角度分析鋁合金的銑削殘余應(yīng)力問題，可以得出不同的分析模型，因此尋求考慮更多影響因素的有限元分析方法將成為下一步研究方向。