基于CUTPRO的7075-T6铝合金高速铣削参数优化研究

赵 慧 ，史清卫

（1.天津轻工职业技术学院，天津 300350；2.中国轻工业精密模具工程技术研究中心，天津 300350）

0 引言

铝合金具有密度低、成形性能好、热处理强度高等优点，在航空航天、汽车及船舶领域应用广泛。铝合金材料通常熔点低、塑性大，在加工过程中会出现变形及积屑瘤等问题。优化切削参数是提高铝合金加工质量和效率的有效方法，但传统优化方法忽略了加工系统稳定性的影响。

随着科学技术的进步，先进的测量设备和高性能计算机被应用到金属切削加工领域的研究中。研究人员以切削力、切削温度、表面粗糙度及加工变形等参数为优化目标，针对铝合金高速铣削过程开展了科学研究，在切削参数优化方面取得了显著的成就。Y ALTINTAS等[1]改进了铣削颤振稳定性的计算公式，将切削力系数设为常数，提高了研究效率。翁泽宇等[2]建立了加工系统的三维动力学模型，并通过车削试验验证了模型的可行性。彭翀等[3]开发了基于Web的数控铣削颤振稳定域仿真系统，得到了参数优化的远程仿真工具和方法，并在实际生产中得到了验证。WANG B等[4]建立了考虑力和变形的角接触球轴承五自由度模型和主轴-刀架-刀具连接处的分布弹簧模型，为优化加工和提高切削稳定性提供了理论依据。李鑫等[5]基于CUTPRO软件实现了航空薄壁零件的参数优化，有效避免了刀具和机床的损坏。杨毅青等[6]基于模态试验研究了不同进给方向和主轴位置下的稳定性。李春奇等[7]优化了空气层压板钻孔中的切屑去除和毛刺参数。JIANG Z X等[8]对TC4钛合金进行了端铣试验，研究了金属加工过程中的系统稳定性。韩旭[9]建立了面铣削加工系统动力学模型，利用切削动力学测试软件CUTPRO仿真计算颤振稳定域，求得无颤振下的主轴转速、进给速度和切削深度，为面铣削切削用量的选择提供理论依据。CHIEN V N等[10]结合田口法和CUTPRO软件实现了SKD61钢硬铣削加工的多目标优化。NGUYEN H T等[11]通过槽铣削试验确定了刀具材料配对的平均切削力系数，基于CUTPRO软件进行了稳定性分析，结果表明在稳定切削区域内，主轴转速和轴向切削深度是硬铣削加工的重要参数。

7075-T6属于Al-Zn-Mg系精密加工/模具用铝合金，抗腐蚀性能及力学性能优良，主要用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件，如飞机上、下翼面壁板、桁条等[12,13]。7075-T6铝合金化学成分及含量如表1所示。

表1 7075-T6铝合金化学成分及含量 质量分数

以下基于CUTPRO9.0软件对7075-T6铝合金进行了高速铣削参数优化。通过锤击试验得到了系统的频率响应函数，然后基于颤振稳定域选取优化参数，对切削过程进行动态仿真，最后通过铣削试验验证参数优化的可行性。

1 锤击试验

为了获得处理系统的频率响应函数，在立式加工中心上进行锤击试验。采用硬质合金立铣刀，直径为φ10 mm，表2所示为所用刀具的相关参数。

表2 刀具参数

图1所示为锤击试验装置，组成测试系统的构件包括：MSC-1冲击力锤；对应500 kg力传感器；YD67型加速度计，电荷灵敏度为0.3 pC/ms-2，频率范围为1～18 000 Hz；四合一两通道电荷放大器；USB接口四通道数据采集卡AD8304。

图1 锤击试验装置

在试验过程中，排除静电、噪声、刀具材料的影响，以保证锤击试验的可靠性。锤击试验在加工系统的X和Y两个正交方向上进行，每个方向需要测试5组数据。此外，试验过程中锤击系统将自动接收信号，可获得加工系统在X和Y方向上的频响函数。

2 颤振稳定域模拟

基于频响函数对颤振稳定域进行了仿真。铣削2.5轴模块需要设置一系列参数，包括刀具参数、毛坯参数和切削参数，必须正确选择X和Y两个方向的频率响应函数。图2所示为加工系统的颤振稳定域叶瓣图，曲线上方为共振区，下方为稳定域，即为优化切削参数的选择区域。

图2 颤振稳定域叶瓣图

图2中“+”表示传统切削参数（主轴转速为8 000 r/min，切削深度为0.3 mm）的位置，“×”表示改善切削参数的位置。由图2可以看出，初始参数也处于颤振稳定区，但加工效率较低；为了提高加工效率，主轴转速n的取值为9 000～12 000 r/min，切削深度ap＜4 mm，表3所示为所选5组的参数值。

表3 切削参数组合

3 切削过程动态模拟

为了进一步研究铣削过程的稳定性，利用频响函数和表2中的切削参数对铣削过程进行了动态仿真。通过分析切削用量对加工质量和加工效率的影响，确定优化切削参数。表4所示为动态模拟的结果，其中，Fy为主切削力的最大值；Rmax和Ravg分别指表面粗糙度的最大值和平均值。

表4 铣削动态仿真结果

通过数据对比可以看出，切削参数对加工系统稳定性有较大影响，说明对切削参数进行研究的必要性。结果发现，切削力、主轴功率和主轴扭矩随切削深度ap的增大而增大，随主轴转速n的增大近似呈减小趋势。第2组铣削参数和第1组相比，切削加工效率下降，但加工质量并未改善。在第3～5组铣削参数条件下的加工过程提高了加工效率，而加工质量急剧下降。

图3所示为第1组切削参数条件下动态模拟的预测结果，切削力、刀具振动、主轴扭矩、主轴功率和表面粗糙度值较小，且变化趋势稳定，表面粗糙度在Ra0.003 2 mm以内。因此，结合表4中的数据，选取高速铣削7075-T6铝合金的优化切削参数为：主轴转速n=11 950 r/min，切削深度ap=0.8 mm。

图3 第1组切削参数条件下铣削仿真结果

4 试验验证

为了验证优化切削参数的有效性，在加工中心上开展铣削试验。表5列出了传统和优化铣削参数的具体值。

表5 验证试验参数

图4比较了2种切削参数条件下铣削的试验结果。当主轴转速n=8 000 r/min、轴向切深ap=0.3 mm时，完成图4中材料去除过程需要120 s；而采用优化后的切削参数n=11 950 r/min、ap=0.8 mm时，去除相同材料花费的时间仅为40 s，加工效率提高了3倍。

图4 试验验证结果

传统铣削参数获得的已加工表面的粗糙度为Ra0.012 1 mm，优化铣削参数条件下已加工表面粗糙度下降到Ra0.002 5 mm，表明参数优化后提高了已加工表面质量。优化铣削参数条件下已加工表面粗糙度的仿真结果与试验测量值误差为12%，说明采用CUTPRO进行铣削参数优化的可靠性。

此外，从图4还可以看出，在传统铣削参数条件下已加工表面出现大量的毛刺，而优化铣削参数后毛刺消失。因此，优化铣削参数能有效提高7075-T6铝合金高速铣削加工效率和质量。

5 结束语

为提高7075-T6铝合金高速铣削加工效率和加工质量，基于CUTPRO9.0进行了切削参数优化研究，得到如下结论。

（1）在机床与刀具组合的系统上进行了锤击试验，并通过CUTPRO9.0软件中的MALTF传递函数分析模块获得了加工系统的频响函数；据此，在特定切削深度条件下进行了颤振稳定域仿真，获取了无颤振条件下的颤振稳定域叶瓣图（主轴转速和轴向切深关系图）。

（2）依据颤振稳定域叶瓣图选取5组铣削参数组合，通过铣削过程动态仿真获得了不同铣削参数条件下切削力、刀具振动、主轴扭矩、主轴功率和表面粗糙度的预测结果。对比分析确定7075-T6铝合金高速铣削优化切削参数为：主轴转速n=11 950 r/min，切削深度ap=0.8 mm。

（3）试验验证结果表明，优化铣削参数加工效率较原来提高了3倍，已加工表面粗糙度降低了79.3%，且有效解决了7075-T6铝合金高速铣削出现的毛刺问题。