铝合金铣削残余应力的研究进展

董章国

[航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110850]

引 言

随着我国航空工业的飞速发展，航空用大型铝合金整体结构件因具有强度高、自身重量轻、承载能力大及抗破坏能力强等特点而在新一代航空产品中得到广泛应用。但由于整体结构件在铣削加工过程中普遍存在加工变形的问题，抑制乃至消除加工变形以提高整体结构件的加工精度己为大家所关注。研究表明已加工表面残余应力对零件的使用性能有着重要的影响，残余拉应力会降低零件的疲劳强度，而残余压应力却恰恰相反，由于各部分的残余应力分布不均匀还会使工件发生变形，影响工件的形状精度和尺寸精度。因此，研究加工表面残余应力对保证零件表面质量有重要意义。

一、铝合金铣削残余应力理论研究进展

铝合金铣削加工产生的残余应力是加工表面不均匀塑性变形的综合结果。铣削过程分析残余应力的产生机理，主要有三部分：①由铣削力引起的残余应力，铝合金材料在拉应力和压应力的共同作用下产生残余应力；②由热引起的残余应力，表层材料经加工升温再冷却至室温，体积收缩且受到里层材料的牵拉，在加工表面产生残余拉应力；③由相变引起的残余应力，加工表面温度升高至临界点，表层铝合金组织发生相变导致体积变化，因而产生残余应力。了解残余应力的产生机理有助于得到更贴合实际的仿真结果。完美模拟铣削过程的先决条件是获得有限元建模的关键技术，主要包括材料的本构模型、切屑分离准则、刀具与切屑间的摩擦关系等。在对铝合金进行铣削仿真之前，不仅要分析残余应力的产生机理，还需根据实际情况，完成本构方程的改进，切屑分离准则及刀—屑接触摩擦类型的选择等工作。

二、进给速度对铣削窄槽特征结构的影响

试验中切削速度130m/min、切削深度20μm 为恒定因素，变量为进给速度。随着进给速度F 增大，铣削窄槽底面粗糙度均增大。这是因为进给速度的增大使铣削方向的切削力Fy 增大，从而使材料去除率增大，切出较大的切屑，导致切屑与窄槽底面磨损较大，积屑变得严重，使表面粗糙度增大；随着进给速度的增大，铣削表层残余应力也随之增大。随着进给速度的增大，材料去除率变大，铣削力和温度变化增大，铣削表层遗留的残余应力也随之增大；铣削的窄槽底面，随着进给速度增大，刀痕越来越平缓，边缘毛刺变大而且窄槽底面缺损也越来越严重。

三、铣削参数对铣削温度的影响

铣削温度随着切削速度的升高而增大，温度从180℃增大至286℃，增加了106℃，材料内部应变率随着切削速度的增大而增大，造成工件材料温度也上升。铣削温度随着每齿进给量和铣削宽度的增加而变大，分别增大了71℃和39℃，铣削深度对铣削温度的影响极小。

四、铝合金铣削残余应力仿真研究进展

有限元法（FEM）作为预测加工变形和残余应力常用的数值方法，在如何制造出精度更高的零件这一问题上发挥了重要作用。国内外学者凭借FEM 手段在铣削残余应力领域取得了诸多成果。从铣削刀具的角度出发，研究了切削刃形状影响加工表面残余应力分布的有限元模型。仿真模拟发现，随着平均切削刃半径的增大，表面拉伸残余应力值和最大压缩残余应力值呈增大趋势。与使用珩磨加倒角切削刃相比，平均切削刃半径较小的切削刃可以显著减小表层残余应力。以切削参数为切入点，通过有限元模拟和试验分析了刀具和工艺参数对铝合金正交切削产生的残余应力的影响，并在有限元模拟的基础上进行验证，试验的结果与有限元仿真模拟的结果非常吻合，说明OuteiroJ.C.等提出的有限元模型适用于研究切削参数对加工残余应力的影响。研究还指出，采用断续切削可以限制表面残余应力的增大。以铝合金6061 为例，提出一种综合建模方法来预测由铣削残余应力引起的变形，更精确地反映了切削参数与铣削残余应力之间的关系。首先利用响应面设计（R SD）建立了一种新的模型，可以根据不同的切削参数预测工件沿切削方向的残余应力分布。在此基础上，根据估算的应力分布和材料力学理论推导出挠度公式，并进行仿真分析。结果表明，该方法可以准确地估计给定切削参数下的残余应力分布，从而有效地预测残余应力引起的工件变形。经典有限元方法在灵活性和精度方面存在局限性，为了突破这种局限，提出了一种基于水平集的方法来定义独立于工件网格的切削路径。这种定义方式解决了以往仿真试验中，切削路径与由初始几何形状定义的工件网格不匹配的问题，大大提高了机翼零件的铣削仿真精度。同时采用水平集方法对模型中刀具轨迹进行定义，多次加工过程之间无需重新啮合，节省了大量计算时间。这种方法可以用于新航空航天部件的抗畸变设计和开发，通过仿真来预测任何新概念部件的变形行为。铝合金表面的残余应力经过铣削加工后，会发生一定程度的重分布。

结 语

经过综合国内外不同学者对铝合金铣削残余应力的有限元仿真研究成果，可以得出以下结论：控制切削过程中的一些条件，如减小切削刃几何半径、采用断续切削方式、用水平集方法重新定义切削路径等，可以有效减轻由加工残余应力带来的铝合金变形问题，同时可以提高有限元仿真的准确性。从不同角度分析铝合金的铣削残余应力问题，可以得出不同的分析模型，因此寻求考虑更多影响因素的有限元分析方法将成为下一步研究方向。