加工參數(shù)對2024鋁合金鉆孔加工質(zhì)量的影響

唐林，林玲，楊嵩

1魯北技師學(xué)院；2北華航天工業(yè)學(xué)院；3天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)

1 引言

2024鋁合金是高強(qiáng)度硬鋁，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常用于制作各種高負(fù)荷零件和構(gòu)件。由于鋁合金的制造工藝成熟，并具有良好的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性、斷裂韌性和損傷容限，是航空航天、汽車和海洋工業(yè)的優(yōu)先選擇，被用于制造飛機(jī)骨架零件、蒙皮和隔框等零件。目前，美國波音公司生產(chǎn)的7系列客機(jī)中有70%重量的材料采用鋁合金，歐洲空客機(jī)型中的A380客機(jī)鋁合金重量也超過60%。據(jù)預(yù)測，到2025年，在汽車行業(yè)中的鋁平均含量將達(dá)到250kg，重量占比達(dá)40%[1]。

在航空航天、汽車等產(chǎn)業(yè)中的鋁合金結(jié)構(gòu)件組裝過程中，需要大量的鉚接孔和螺栓連接孔。如波音7系列客機(jī)需加工約300萬個孔，空客A3系列需要加工約100萬個孔[2]。而鉆孔過程是機(jī)械加工過程中最具挑戰(zhàn)性的工序之一，鉆孔質(zhì)量差可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋，并降低機(jī)身可靠性，且高零件報廢率直接影響制造成本。

研究人員針對提高鋁合金鉆孔質(zhì)量開展了大量研究。劉慶倫等[3]建立了6063鋁合金三維鉆孔有限元模型，分析了出口毛刺的成形機(jī)理。Abdelhafeez A.M.等[4]在研究中采用響應(yīng)曲面法分析了鉆孔切削速度和進(jìn)給速度對Al7010-T7451和Al2024-T351鋁合金孔毛刺尺寸、孔直徑、圓度以及刀具磨損的影響，結(jié)果表明，中等進(jìn)給速度時出口毛刺尺寸最小。在鉆孔冷卻方面，Popan I.A.等[5]采用高壓內(nèi)冷卻方式降低了6061鋁合金鉆孔加工的切削溫度，提高了鉆孔質(zhì)量。然而，使用冷卻液產(chǎn)生的環(huán)境污染有違綠色制造，會成為監(jiān)管部門嚴(yán)格審查的重點(diǎn)。為了提高鉆孔效率，Aamir M.等[6]和楊金鳳等[7]采用多主軸鉆孔方式(也稱為多鉆頭鉆孔)實(shí)現(xiàn)了多孔同時鉆削。此外，鋁合金鉆孔夾持方式及間隙(疊層鉆孔)也是影響鉆孔質(zhì)量的重要因素[8，9]。

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)法和有限元法，對2024鋁合金的鉆孔過程開展研究，分析了切削速度和進(jìn)給速度對出口毛刺高度及孔徑尺寸的影響，并且擬合獲得了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

工件材料為2024鋁合金板材，試樣尺寸為130mm×120mm×7mm(長×寬×高)，在牧野立式加工中心上進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)。刀具選擇含鈷高速鋼麻花鉆，直徑6mm，頂角118°。采用Kistler 9257b測力儀實(shí)時測量切削力，利用超景深顯微鏡觀測出口毛刺，采用粗糙度儀測量孔的表面粗糙度，表1為鉆孔實(shí)驗(yàn)進(jìn)給速度和切削速度取值。

表1 2024鋁合金鉆孔實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2 有限元建模

利用SolidWorks軟件建立麻花鉆幾何模型，并采用ABAQUS軟件建立2024鋁合金三維鉆孔幾何模型。采用熱-位移耦合分析步實(shí)現(xiàn)鋁合金鉆孔切削的數(shù)值計算，其強(qiáng)大的非線性計算功能符合切削加工非線性計算的要求。單元類型選擇C3D8RT減積分單元，離散化工件和刀具。2024鋁合金鉆削三維幾何模型和網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

(a)裝配幾何模型 (b)網(wǎng)格劃分模型

采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型描述工件材料的塑性流動行為，該模型綜合考慮了應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化及熱軟化效應(yīng)，適用于金屬切削加工模擬。表2為2024鋁合金J-C材料本構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)[10]。

表2 2024鋁合金J-C模型系數(shù)

表3為工件材料和刀具材料的物理參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)。設(shè)刀具和工件的初始溫度均為20℃(室溫)，摩擦系數(shù)為定值0.3。工件的四個側(cè)面邊界固定，通過刀具旋轉(zhuǎn)和移動實(shí)現(xiàn)鉆孔過程的相對運(yùn)動。

表3 工件和刀具材料的物理和機(jī)械性能

圖2和圖3為鉆孔過程中應(yīng)力場分布及等效塑性應(yīng)變的有限元計算結(jié)果，可以觀察到2024鋁合金的切屑形態(tài)為卷曲帶狀屑。

圖2 應(yīng)力分布預(yù)測結(jié)果

圖3 等效塑性應(yīng)變預(yù)測結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

圖4為2024鋁合金鉆孔軸向力實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和有限元預(yù)測結(jié)果的對比。以軸向力最大值為研究對象，軸向力測量值即為重復(fù)實(shí)驗(yàn)軸向力最大值的均值(每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次)。

圖4 軸向力測量結(jié)果和預(yù)測結(jié)果

軸向力通常被認(rèn)為是鉆孔過程中的重要參數(shù)之一，對鉆孔質(zhì)量有重要影響。由圖可以看出，軸向力的預(yù)測誤差在5%～11%之間，證明了所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性。此外還可以看出，隨著材料去除率的增加，鉆孔軸向力迅速增大。

3.2 出口毛刺

出口毛刺的產(chǎn)生是由刀具切出工件時工件材料劇烈塑性變形導(dǎo)致。毛刺的出現(xiàn)嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量，圖5為2024鋁合金鉆孔出口毛刺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元預(yù)測結(jié)果?？梢钥闯觯?024鋁合金鉆孔出口形態(tài)主要分為三種：一是隨機(jī)毛刺(見圖5a和圖5b)，毛刺高度差距較大，且位置隨機(jī)；二是均勻的出口毛刺(見圖5c和圖5d)，簡稱均勻毛刺，形成的原因是工件材料在刀具擠壓作用下塑性變形加劇，在孔出口的周圍殘留了高度均勻的工件材料；三是在孔出口出現(xiàn)毛刺帽(見圖5e和圖5f)，形成的原因是由于切削溫度升高，使得鋁合金材料的塑性增加，工件底面材料產(chǎn)生較大塑性變形，并隨著刀具的切出形成毛刺帽。

圖5 出口毛刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測結(jié)果對比

圖6為切削參數(shù)對孔出口毛刺高度的影響。可以看出，隨著切削速度的升高，出口毛刺高度先增大后減小，主要原因是由于切削速度較低時切削力較小，工件材料塑性變形小，因此孔出口毛刺高度較小；隨著切削速度的升高，切削力增大，材料塑性變形增加，導(dǎo)致出口毛刺高度增大；當(dāng)切削速度進(jìn)一步升高時，材料被迅速去除，塑性變形相對減小，因此孔出口毛刺減小。

由圖6還可以看出，出口毛刺高度隨著進(jìn)給速度增大而減小，主要原因是由于進(jìn)給速度較低時，材料去除厚度較小，與切削刃圓角接近，增加了刀具對工件材料的耕犁作用，使得材料塑性變形增大，出口毛刺高度增大。

圖6 切削參數(shù)對出口毛刺高度的影響

依據(jù)超景深顯微對孔口質(zhì)量的微觀測量結(jié)果獲得的孔出口毛刺高度hexit經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

3.3 孔徑尺寸精度

圖7為切削速度對鉆孔尺寸精度的影響規(guī)律?？梢钥闯?，隨著切削速度的升高，孔徑尺寸精度越高。當(dāng)進(jìn)給速度f=0.12mm/r，切削速度vc逐漸提高，當(dāng)vc=180m/min時，孔徑尺寸誤差為5.5μm。這主要是由于切削速度升高使得刀具對孔內(nèi)表面的擠光效應(yīng)顯著，因此提高了孔徑尺寸精度。

圖7 切削速度對孔徑尺寸的影響(f=0.12mm/r)

圖8為進(jìn)給速度對孔徑尺寸的影響規(guī)律?？梢钥闯觯S著進(jìn)給速度的增大，孔徑尺寸減小，這是由于進(jìn)給速度的增大使孔出口毛刺減小，提高了孔的加工精度。

圖8 進(jìn)給速度對孔徑尺寸的影響(vc=80m/min)

孔徑尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為

(2)

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)件裝配中需要大量的孔加工工序，而毛刺和孔加工質(zhì)量決定了零件的裝配性能，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)法和有限元法分析了2024鋁合金的鉆孔加工規(guī)律，分析了切削參數(shù)對毛刺和孔加工質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論。

(1)軸向力預(yù)測結(jié)果與測量結(jié)果的誤差在5%～11%之間，表明建立的三維鉆孔有限元模型可以較好地預(yù)測2024鋁合金的鉆孔過程。

(2)孔出口毛刺的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果一致性較好，出口毛刺主要包括三種形式：無毛刺或微細(xì)毛刺、均勻毛刺和毛刺帽。此外，隨著切削速度的升高，出口毛刺高度先增大后減??；當(dāng)進(jìn)給速度較大或較小時，出口毛刺高度較大；當(dāng)進(jìn)給速度處于中間水平時，出口毛刺高度最小。

(3)切削參數(shù)對孔的尺寸精度影響較大，在文中參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)切削速度較高、進(jìn)給速度較大時，孔的尺寸精度較好。

(4)所獲得的出口毛刺高度和孔徑尺寸經(jīng)驗(yàn)公式可以為2024鋁合金鉆孔參數(shù)的選擇提供參考。