鄭耀輝，趙明月，劉 娜，王明海

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2．中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000)

0 引言

隨著我國(guó)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[1-5]，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[6]。劉文文和劉長(zhǎng)毅[7]建立了鈦合金二維正交切削的熱力耦合有限元仿真模型，研究了在不同切削條件下加工殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，覃孟揚(yáng)[8]研究了基于預(yù)應(yīng)力的切削加工表面的殘余應(yīng)力，利用有限元軟件進(jìn)行正交模擬，研究預(yù)應(yīng)力和切削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力影響，孫雅洲[9]等人利用有限元模擬的方法對(duì)鋁合金Al2A12進(jìn)行了研究，分析了切削加工表面殘余應(yīng)力的分布及其影響因素，孫會(huì)來(lái)[10]、Jomaa W[11]等利用ABAQUS對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行二維正交切削仿真，但仿真模型與實(shí)際切削過程有一定誤差，國(guó)內(nèi)外對(duì)切削加工表面殘余應(yīng)力的研究主要通過有限元分析和切削試驗(yàn)的方法建立殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型，研究單工藝參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響，沒有對(duì)切削參數(shù)相關(guān)的優(yōu)化和切削亞表面進(jìn)行進(jìn)一步的研究[12-13]。2024鋁合金是Al-Cu-Mg系可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，綜合性能較好，常用狀態(tài)為T4態(tài)，廣泛用于飛機(jī)蒙皮、骨架、肋梁、隔框等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，對(duì)2024鋁合金的研究主要集中在材料熱處理和對(duì)其組織性能影響方面，對(duì)其切削加工及切削參數(shù)研究較少。

論文利用專業(yè)有限元切削軟件對(duì)2024鋁合金進(jìn)行切削仿真，研究切削表面殘余應(yīng)力和亞表面殘余應(yīng)力的變化，并建立正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)研究切削參數(shù)對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1 有限元模型的建立

有限元仿真模型如圖1所示，在銑削的實(shí)際過程中，刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并伴隨機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)所以實(shí)際上銑刀同時(shí)作旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡是一條擺線，相鄰的兩個(gè)刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡所圍成的部分就是一個(gè)刀齒的切削面積，雖然切削厚度是連續(xù)變化的，但由于每齒進(jìn)給量比較小，刀具的旋轉(zhuǎn)速度又很高，所以其厚度變化非常小，可以將厚度連續(xù)變化的切削層簡(jiǎn)化成均勻厚度的等效切削層。[14]

工件材料選取材料庫(kù)中的2024-T42材料，刀具選取刀具庫(kù)中的硬質(zhì)合金刀具，刀具直徑20mm，刀尖圓弧半徑0.02mm，前角18°，后角10°。利用軟件中的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，工件和刀具網(wǎng)格劃分的最大尺寸為0.1mm，最小為0.02mm。銑削參數(shù)為銑削速度750m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm/z，銑削深度2mm，銑削寬度6mm，工件和刀具的初始溫度為20°，切削長(zhǎng)度10mm，采用干銑削的加工方式。

圖1 2D銑削仿真模型

2 正交試驗(yàn)

如表1所示模擬采用四因素三水平的正交試驗(yàn)方案，根據(jù)四因素三水平的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)要求,選用不同的切削速度、每齒進(jìn)給量、切削寬度和切削深度為研究的對(duì)象，對(duì)模擬結(jié)果(加工表面殘余應(yīng)力)進(jìn)行相關(guān)的方差分析計(jì)算，研究切削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力和銑削溫度的影響。然后根據(jù)模擬結(jié)果，利用多元線性回歸法來(lái)推導(dǎo)加工表面殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)公式[15]。最后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模擬和預(yù)測(cè)公式的準(zhǔn)確性。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 加工殘余應(yīng)力仿真結(jié)果分析

3.1 切削表面殘余應(yīng)力力分析

圖2計(jì)算了切削速度Vc=750m/min，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z，切削深度ap=2mm，切寬ae=6mm時(shí)殘余應(yīng)力隨表面深度的變化曲線，加工表面殘余應(yīng)力開始表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，因?yàn)樽钔獗砻鏆堄鄳?yīng)力主要受溫度影響，沿著深度方向在0～0.08mm的厚度變化范圍內(nèi)殘余拉應(yīng)力迅速降低，然后過渡為壓應(yīng)力，隨著深度的增加溫度對(duì)表層殘余應(yīng)力的影響越來(lái)越小，切削表面的殘余應(yīng)力主要受擠壓效應(yīng)的影響，壓應(yīng)力經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過程，最后接近于0MPa，其中σmax為119MPa，σimin為-65MPa。

圖2 切削加工殘余應(yīng)力仿真曲線

3.2 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果分析

得到的仿真數(shù)據(jù)如表2所示，采用直觀分析法對(duì)仿真結(jié)果展開分析，仿真結(jié)果分析表3為σimax數(shù)據(jù)分析，表4為σimin的數(shù)據(jù)分析，表5為T的數(shù)據(jù)分析。表中K1、K2、K3表示每個(gè)因素一個(gè)水平的求和，k1、k2、k3表示K1、K2、K3的平均值，R表示極差。

表2 仿真結(jié)果

表3 σmax仿真分析

從表3可以看出，每齒進(jìn)給量和銑削速度對(duì)σmax影響較為顯著，因素主次為B>A>D>C，因此優(yōu)選方案為B1A1D3C1，即每齒進(jìn)給量0.05mm/z，切削速度500m/min，銑削寬度10mm，銑削深度0.5mm。

表4 σmin仿真分析

從表4可以看出，每齒進(jìn)給量和銑削寬度對(duì)σmin影響較為顯著，因素主次為B>D>C>A，因此優(yōu)選方案為B3D3C1A1，即每齒進(jìn)給量0.15mm/z，銑削寬度10mm,銑削深度0.5mm，切削速度500m/min。

表5 T仿真分析

從表5可以看出，銑削速度和每齒進(jìn)給量對(duì)T影響較為顯著，因素主次為A>B>D>C，因此優(yōu)選方案為A1B1D1C3，即切削速度500m/min，每齒進(jìn)給量0.05mm/z，銑削寬度6mm,銑削深度2mm。

綜上所述，為了控制加工表面殘余拉應(yīng)力的極值，選取切削速度500m/min、每齒進(jìn)給量0.05mm/z、銑削深度0.5mm和銑削寬度10mm為最優(yōu)參數(shù)，為了控制加工亞表面殘余壓應(yīng)力的極值，選取切削速度500m/min、每齒進(jìn)給量0.15mm/z、銑削深度0.5mm和銑削寬度10mm為最優(yōu)參數(shù)。

3.3 殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)公式

根據(jù)上面模擬的一系列數(shù)據(jù)，通過多元回歸方程來(lái)推導(dǎo)一個(gè)殘余應(yīng)力極值的經(jīng)驗(yàn)公式，假定該經(jīng)驗(yàn)公式為：

σmax=Capn1aen2fn3vn4
σmin=Capn1aen2fn3vn4

C是系數(shù)為固定值，n1，n2，n3，n4分別是ap，ae，f，v的指數(shù)，對(duì)公式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)：

lnσmax=lnC+n1lnap+n2lnae+n3lnf+n4lnv或者Y=n0+n1X1+n2X2+n3X3+n4X4

經(jīng)驗(yàn)公式變成了多元線性方程，通過求n0，n1，n2，n3，n4的值來(lái)確定經(jīng)驗(yàn)公式。

把正交方案中的數(shù)代入公式并利用MATLAB對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性分析，得出加工殘余應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式為：

σmax=7.5716ap0.0201ae-0.8129f0.8203v0.7928
σmin=5.931ap0.1051ae-0.3935f-0.4353v0.2925

3.4 切削加工殘余應(yīng)力試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)選取表6中的三組切削參數(shù)在立式加工中心進(jìn)行銑削試驗(yàn)，如圖3所示，利用小孔法測(cè)量表面殘余應(yīng)力[16-17]，正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力，最后將切削參數(shù)代入殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)公式，得到殘余應(yīng)力的公式計(jì)算結(jié)果，分別計(jì)算仿真，公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)值間的誤差。

表6 對(duì)比試驗(yàn)方案

(a) 工件銑削加工 (b) 殘余應(yīng)力測(cè)量 圖3 銑削加工和表層殘余應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)值公式計(jì)算值模擬值σp/MPaσc/MPa相對(duì)誤差σs/MPa相對(duì)誤差6759.611%5912%4440.57.9%409%2220.66.3%214.5%

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表7。從中可以看出有限元模擬值、公式計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值都存在一定的誤差，但有限元模擬值最大誤差率為12%，公式計(jì)算值最大誤差率為11%,通過結(jié)果對(duì)比證明上面建立的有限元模型基本正確；在其他切削條件相同的情況下，通過公式來(lái)預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力是可行的。

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定誤差，這是因?yàn)榉抡媸窃谳^為理想的環(huán)境中進(jìn)行，而試驗(yàn)過程中測(cè)得的殘余應(yīng)力是初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削加工表面殘余應(yīng)力疊加后的合力，同時(shí)又受到機(jī)床和裝夾等的影響，就整體而言仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)表面殘余應(yīng)力極值的大小。

4 單因素對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

為了得到單一銑削參數(shù)對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，采用單因素試驗(yàn)法，切削速度、每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度每個(gè)影響因素選出3個(gè)數(shù)值，進(jìn)行仿真研究，銑削工藝參數(shù)如表8所示。

表8 銑削參數(shù)

4.1 切削速度對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響

切削速度對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響曲線如圖4所示。當(dāng)切削速度增大時(shí)，切削溫度升高，由熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力起主導(dǎo)作用，從而使表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，并隨著切削速度的提高而增大；同時(shí)次表層的殘余壓應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，殘余壓應(yīng)力有向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

圖4 切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線

4.2 每齒進(jìn)給量對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響

每齒進(jìn)給量對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響曲線如圖5所示。隨著每齒進(jìn)給量的增大，表面殘余拉應(yīng)力增大，次表層殘余壓應(yīng)力減小，這是因?yàn)檫M(jìn)給的增大使單位時(shí)間內(nèi)材料的切除量增多，刀具與工件之間的摩擦增大，產(chǎn)生的熱增多，由熱塑性變形造成的殘余拉應(yīng)力增大，使殘余壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。

圖5 每齒進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線

4.3 切削深度對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響

切削深度對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響曲線如圖6所示。切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響不太顯著，變形力會(huì)隨著切削深度的增大而增大，但變形系數(shù)卻相反，隨著切削深度的增加而減小，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，所以切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響較小。

圖6 切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線

4.4 切削寬度對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響

切削寬度對(duì)切削表面殘余應(yīng)力的影響曲線如圖7所示。隨著銑削寬度的減小，金屬的去除率減小，使形成切屑的阻力減小，使塑性凸出效應(yīng)及熱塑性變形不明顯，由后刀面產(chǎn)生的擠光效應(yīng)處于主導(dǎo)地位，所以工件表層殘余拉應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

圖7 切削寬度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線

根據(jù)以上分析，切削速度、每齒進(jìn)給量和銑削寬度對(duì)表面殘余應(yīng)力力的影響較大，切削深度影響較小。因此，在實(shí)際生產(chǎn)條件允許情況下，為了控制表面殘余應(yīng)力，提高加工質(zhì)量，在銑削2024鋁合金時(shí)，應(yīng)采用較低的切削速度，較低的進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度。

4.5 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響

銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響規(guī)律曲線如圖8所示。從圖中可以看出，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。

圖8 銑削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響曲線

5 結(jié)論

通過有限元分析軟件對(duì)2024-T42鋁合金的銑削過程進(jìn)行仿真和銑削試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

(1)論文使用的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)2024鋁合金的切削表面殘余應(yīng)力，切削加工試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果預(yù)測(cè)公式計(jì)算結(jié)果基本一致驗(yàn)證了有限元模型和預(yù)測(cè)公式的正確性。

(2)通過正交試驗(yàn)選出最優(yōu)的銑削工藝參數(shù)，為了控制表層殘余應(yīng)力的極值，選取每齒進(jìn)給量0.05mm/z，切削速度500m/min，銑削寬度10mm，銑削深度0.5mm；為了控制亞表面殘余應(yīng)力的極值，選取選取切削速度500m/min、每齒進(jìn)給量0.15mm/z、銑削深度0.5mm和銑削寬度10mm為最優(yōu)參數(shù)。

(3)建立了以切削參數(shù)為變量的加工表面殘余應(yīng)力極值預(yù)測(cè)公式，并進(jìn)行了切削加工試驗(yàn)，殘余應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)公式計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)公式的正確性。

(4)切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響較小，表面殘余應(yīng)力力隨切削速度、每齒進(jìn)給量、銑削寬度的變大而升高，因此，在實(shí)際生產(chǎn)條件允許情況下，為了控制表面殘余應(yīng)力，提高加工質(zhì)量，在銑削2024鋁合金時(shí)，應(yīng)采用小的切削速度，小的進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度，銑削溫度隨每齒進(jìn)給量、切削速度和銑削寬度升高而變大，銑削深度對(duì)銑削溫度的影響極小。