薄壁件立铣切削力的有限元模拟与实验研究

王聪康，叶海潮，余祖西，姬 伟

WANG Cong-kang, YE Hai-chao, YU Zu-xi, JI Wei

（南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063）

0 引言

加工效率和加工质量是先进机械加工技术的研究核心。在航空航天制造业中，为了减轻重量，提高飞机和航天器的强度和机动性能，如飞机中的整体壁板、整体翼肋和发动机的涡轮叶片等薄壁件。这些构件形状复杂，刚度弱，精度要求高，加工中采用数控铣削成型。然而，在铣削过程中，由于其弱刚度特征、残余应力、过大切削力、装夹力等因素作用所引起的工件变形，使得实际切削参数不等于名义值，增大加工误差，从而降低加工精度及表面质量，甚至报废。为此，很多做切削仿真学者[1～4]致力于二维正交切削的研究其加工变形对加工误差的影响，而针对实际的三维斜角切削过程模拟研究的很少。因此，为了更好的发挥铣削仿真机能，提高实际加工精度和切削效率，笔者采用非线性功能强大的有限元求解器ABAQUS分析软件，综合考虑合理的斜角切削机理及材料物理性能，结合实验，建立了有限元模型，并对实际加工诸多因素进行了优化，提高加工质量，实现了对加工过程中的物理因素进行更好的快速控制。

1 有限元分析模型

1.1 三维斜角铣削模型建立

系统采用ABAQUS有限元分析软件的动力、显式分析模块。刀具单元选取为三角形单元，网格尺寸为0.51mm，单元类型为3节点三维缩减积分单元R3D3。工件网格采用局部网格技术，在应力较集中的部位采用较密的网格，网格尺寸为0.10mm，在距离切削较远的部位采用较粗大的网格，网格尺寸为1.00mm，单元类型为六面体8节点三维实体缩减积分单元C3D8R。通过有限元软件建立的有限元铣削模型如图1所示。

图1 斜角切削有限元模型图

1.2 工件材料本构模型的建立

1.2.1 材料的本构关系

本文采用 Johnson-Cook准则来描述工件材料[5]。Johnson-Cook准则常用于模拟金属材料从低应变率到高应变率下的动态行为，该模型利用变量乘积关系分别描述应变、应变率和温度的影响。Johnson-Cook准则具体表述为：

1.2.2 材料的失效准则

随着刀具的切入，当工件材料的等效塑性应变D达到1.0时，材料失效，实现被切单元与工件脱离。其失效准则是把每个工件单元定义为等效塑性应变：

1.3 材料的热参数

材料的热参数包括[6]：1）热传导率Tc；2）热膨胀系数α；3）比热c。铝合金7075-T7451的热参数值如下表1所示。

表1 铝合金7075-T7451材料的热参数

2 切削加工过程模拟

本研究刀具前角αn=19°，刃倾角γ=29°，宽度设为3.8mm，其材料性能参数如表2所示。工件尺寸为12mm×3mm×5mm，材料选定为航空铝合金7075-T7451，其主要力学性能参数如表3所示，其他性能参数见参考文献[6]。模拟分析过程，刀具切削线速度设为V=15 mm/s，切削深度为0.5 mm，进行模拟分析计算，具体模拟过程，如图2所示。

表2 合金刀具材料参数

表3 7075-T7451铝合金材料的力学性能参数

图2 加工过程模拟

3 仿真结果与分析

3.1 切削力仿真值

切削力仿真模拟值，根据上文参数设定得到表4中X轴方向切削分力FT、Y轴方向切削分力FR、Z轴方向切削分力FA及切削合力F的仿真值，与实验值进行数据比较。如图3所示为工件—刀具所受的Force—Time图。

3.2 切削力试验值

为了验证三维斜角切削数值模拟结果的精确性，本研究结合工厂常用铣削厚度的实验值与仿真值进行比较。实验工件材料为航空铝合金7075-T7451，刀具采用与模拟中相同几何角度的Φ16两齿整体硬质合金立铣刀，螺旋角αh=30°。切削试验是在高速精密五轴联动米克朗UCP600 Vario数控加工中心上进行的，切削力测量采用Kistler9257B型三向压电式测力仪。每一微段铣削保证宽度b=3mm，铣削厚度h设为 0.5 mm，测得铣削力如下表4中的FT、FR、FA及F的实验值。其切削力测试系统如图4所示。

图4 切削力实验测试系统

3.3 结果分析

在相同参数设置的条件下，对三个方向切削力及合力的仿真值与实验值进行分析比较，如表4所示。

1）从表4中数据可知，FT、FR、FA及合力F方向的仿真值与实验值误差均小于9% ，其中X轴主方向切削力FT、合力F的仿真值与实验值均很接近，精度很高，Y轴方向的切削力FR及Z轴方向的切削力FA误差稍大。原因：实验中铣刀变形，刀具前角及刃倾角稍有偏差导致，可进一步改善刀具参数及添加材料属性，实现仿真的逼真性。

表4 切削力对比

2）从图4中可以看出，当刀具刚刚完全切入工件时，各方向所受的力最大，且波动最大，之后逐渐在一平稳值上下波动越来越小。原因：随着刀具切削刃的进入，切削力的逐渐增大，引起加工振动所致。

4 结论

1）本研究所建立的薄壁件铣削加工模型，获得了加工过程中应力的分布规律，刀具所受的三个方向分力及合力的情况，优化了铣削参数。从结果分析中可以看出，较已有的有限元模型，加工过程模拟更贴近工程实际，从而验证本三维斜角切削模拟的精确性。由于没考虑刀具的磨损、机床的振动等因素的影响，导致模拟值与实验值存在一定的误差。如果进一步考虑各影响因素将会使模拟误差更小。

2）刀具刚好完全切入工件时，振动最大，切削力最大。改善切削刀具参数，机床稳定性能可更好的保护刀具。

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