DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.010

航空铝合金薄壁零件高速加工铣削力

王凌云¹，黄红辉¹，谢志江²

(1. 上海工程技术大学 机械工程学院，上海，200437；

2. 重庆大学 机械工程学院，重庆，400044)

摘要：探讨铣削力三维有限元计算方法，研究航空薄壁零件高速加工切削力变化规律。基于AdvantEdge 3D铣削模块，实现对AL7075航空铝合金材料的铣削过程仿真加工并研究铣削力规律。预测不同切削时间下工件及刀具上的温度分布，建立高速铣削参数对铝合金 7075 铣削力和铣削温度的影响曲线。通过实际铣削试验验证仿真结果的可靠性。研究结果表明：在铣削速度v为250~1 500 m/min，切削速度大于 250 m/min时，切削力随切削速度增加而快速下降；当切削速度大于 500 m/min时，切削力变化不大，呈微量上升趋势；轴向力F_Z在整个速度范围内变化不大；高速铣削参数对铝合金 7075 铣削力和铣削温度的影响曲线可辅助优化切削加工参数，有助于减小切削过程中刀具的磨损，改善刀具切削状态，提高刀具使用寿命，为预测其他材料的铣削力提供了新的有限元建模方法。

关键词：航空零件；高速加工；铣削力

中图分类号：TH161⁺.1        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)07-1756-06

Milling force of aerospace aluminum alloy thin-wall parts in high-speed machining

WANG Lingyun¹, HUANG Honghui¹, XIAN Zhijiang²

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200437, China;

2. School of Mechanical Engineering, University of Chongqing, Chongqing 400044, China)

Abstract: The milling force three-dimension finite element method was discussed. The cutting force variation pattern of the thin-walled aerospace components in high-speed machining was studied. The milling simulation processing of Al 7075 aerospace aluminum alloy was realized and the law of milling force was researched based on the AdvantagEdge 3D milling module. The temperature distribution of the workpiece and the tool at different cutting time sequences were predicted. Graphs of the milling force and milling temperature of the aluminum 7075 affected by the high-speed milling parameters were established. Reliability of the simulation was verified by actual test milling. The results show that when cutting velocity v_c is 250-1 500 m/min and the cutting speed is greater than 250 m/min, the cutting force decreases rapidly with the increase of the cutting speed. When the cutting speed is greater than 500 m/min, the cutting force changes little with a little increase. The axial force F_Z changes little over the entire speed range. The temperature distribution of the workpiece and the tool at different cutting time sequences can assist to optimize machining parameters, reduce cutting process tool wear and improve the tool cutting state, and improve tool life, which provides a new method of finite element modeling to predict the milling forces of other materials.

Key words: aviation parts; high speed machining; milling force

航空航天铝合金薄壁框架类零件在加工过程中极易产生弯曲、翘曲等加工变形且难以控制。切削力是引起加工变形的重要原因，减小切削力可以有效减小此类构件的加工变形，因此，开展有关切削力预测的研究对于提高薄壁框架类工件的加工精度、质量稳定性和加工效率具有重要意义。WEINERT等^[1]将有限元方法用于铝合金结构加工过程的计算分析和薄壁件周铣过程中静态误差的预测；LI等^[2]建立了端铣仿真模型；ZAGHBANI等^[3]研究了铝合金高速干铣过程的力-温度模型以及相关的本构模型；GUO等^[4]建立了用于预测航空铝合金薄壁件铣削变形的有限元模型。但在仿真过程中，有限元模型的网格无法进行自适应细化，因此，为获得高精度的仿真结果，必须将网格细分，这导致在进行大尺寸薄壁件的铣削仿真时计算成本较高。利用基于工艺模拟系统的有限元分析软件AdvantEdge3D对金属成型过程中的材料塑性变形、刀具磨损、应力应变、切削力、切削温度变化等过程进行数值模拟，为成型加工和机械加工提供了有价值的工艺分析数据，为优化工艺参数的选择提供了参考。针对7075航空铝合金高速铣削加工进行工艺方案设置，本文作者对AdvantEdge3D铣削力仿真结果进行研究，获得单个刀齿高速加工中铣削力变化曲线，预测不同切削时间顺序下工件及刀具上的温度分布，获得刀具前刀面和后刀面的温度分布曲线；建立高速铣削参数对铝合金Al 7075 铣削力和铣削温度的影响曲线，可辅助优化切削加工参数，有助于减小切削过程中刀具的磨损，改善刀具切削状态，提高刀具使用寿命。

1  材料模型

1.1  航空零件

从结构上看，飞机结构件壁薄，加工余量大，相对刚度较低。为了减小飞机结构件质量，进行等强度设计，往往在结构件上形成各种复杂槽腔、筋、凸台和减轻孔等。整体结构件尺寸更大，结构更复杂壁薄，易变形，零件槽间最小距离仅为 8 mm，腹板厚度也只有 2~4 mm。筋顶形状复杂，切削时很容易产生变形。

1.2  Al 7075的Johnson-Cook本构模型

材料本构模型用于描述材料的力学性质，表征材料变形过程中的动态响应。在材料微观组织结构一定时，流动应力受到变形程度、变形速度及变形温度等因素的影响非常显著，这些因素的任何变化都会引起流动应力产生较大变动，因此，材料本构模型一般表示为流动应力与应变、应变率、温度等变形参数之间的数学函数关系。在以塑性有限元为代表的现代塑性加工力学中，材料的流动应力作为输入时的重要参数，其精确度也是提高理论分析可靠度的关键。建立材料本构模型是切削加工数值模拟的必要前提，只有建立了大变形情况下随应变率和温度变化的应力应变关系，才能够准确地描述材料在切削加工过程中的塑性变形规律，继而在确定的边界条件和切削载荷下预测零件的变形及趋势。

在切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具作用下变成切屑的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布，且梯度变化很大。采用Johnson-Cook模型描述材料高应变速率下的热粘塑性变形行为，该模型认为材料在高应变速率下表现为应变硬化、应变速率硬化和热软化效应。Johnson-Cook模型如下^[5-8]：

式中：右边第1个括号中表达式反映材料的应变强化效应，第2个括号中表达式反映流动应力随对数应变速率增加的关系，第3个括号中表达式反映流动应力随温度升高呈指数降低的关系；和T_r分别为参考应变速率和参考温度；T_m为材料熔点；A，B和n为材料应变强化项系数；C为材料应变速率强化项系数；m为材料热软化系数。A，B，n，C和m见表1。

表1  Al 7075 Johnson-Cook 模型材料参数

Table 1  Model material parameters of Al 7075 Johnson-Cook model

1.3  材料失效准则

采用剪切失效模型实现切屑从工件分离。剪切失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值，当损伤参数达到1时，单元即失效。失效参数定义如下：

式中：为失效参数；为等效塑性应变初始值；为等效塑性应变增量；为失效应变。失效应变依据塑性应变率及压应力p与偏应力q之比p/q设定。这里采用Johnson-Cook模型定义失效应变。

式中：d₁~d₅为低于转变温度的条件下测得的实效常数；为参考应变率；为塑性应变率；为当前温度；为熔点；为室温。

2  铣削方案

2.1  刀具选择

工件材料为航空铝合金材料(Al 7075)，刀具材料为硬质合金(YG类)涂层，其力学性能如表2所示。

在试验时选择直径为8 mm的圆柱形立铣刀，切削刃为2刃，几何角度的选择参考文献[9]中铝合金高速铣削立铣刀角度推荐范围。设置刀具角度如下：前角=9°；后角=15°；刃倾角(即螺旋角)=30°^[9-10]。

表2  刀具材料力学性能参数

Table 2  Mechanical properties parameters of cutting tool material

2.2  铣削用量确定

铝合金由于其固有材料特性，导致刀具在切削过程中常发生材料粘接等情况，影响工件加工表面质量和刀具寿命，所以，在实际加工中常采用高速切削。硬质合金立铣刀高速铣削铝合金的铣削用量参考值如表3所示。结合机械加工工艺手册中铝合金高速铣削用量推荐范围^[11-12]，选择试验切削用量方案: 铣削速度为125，251，503和1 005 m/min；铣削深度为1 mm；每齿进给量为0.1 mm。

表3  切削用量参考值

Table 3  Reference value of cutting parameters

3  铣削有限元仿真

3.1  模型建立及网格划分

采用标准建模方式与自定义功能建立工件模型，得到工件和刀具模型如图1所示。为了获得有效的模拟效果，必须精密划分网格。考虑到刀具和工件之间的接触和分离关系较复杂，采用四节点四面体单元和自适应相关性网格划分技术来划分工件和刀具网格，划分后刀具和工件的网格效果如图2所示(某些局部用高密度网格标示)，其中，工件和刀具模型的控制最小网格尺寸分别为0.05 mm和0.04 mm^[13-15]。

图1  铣削有限元模型

Fig. 1  Finite element model of milling

3.2  参数设置及求解

在仿真实验时，工件固定，刀具作顺时针旋转和进给运动。设置仿真初始环境温度为20 ℃，传热系数为0.02，摩擦因数为0.6，热传导系数为45 m²·s·K。刀具几何角度按照所确定的角度选择，铣削用量(v，f，α_p和α_c)按照表3中参数及分组情况进行设置。最后在AdvantEdge3D下核对数据库中设定参数无误后即可生成对应的.DB文件，并在模拟器中分组进行仿真分析。

3.3  仿真结果及分析

3.3.1  切削力变化曲线

在AdvantEdge3D中计算完成后，进入通用后处理器进行仿真处理，分别得到不同铣削用量条件下F_X(进给抗力)、F_Y(主切削力)和F_Z(切深抗力)这3个方向切削力的变化情况如图2所示。从图2可见：随着刀具切入，圆弧刃上靠近直线刃的部分首先与工件接触，此时切削力主要在Z向正方向上；在刀齿逐渐切入工件过程中，三向切削力逐渐增大，直到圆弧刃首先切出工件时切削力达到最大值，之后各项切削力逐渐减小；三向切削力的最大值出现在同一时刻，测得X，Y和Z向的最大切削力分别为-138，-185和66 N。

图2  切削力变化曲线

Fig. 2  Cutting force change curves

对铣削试验AdvantEdge 3D软件仿真获得的铣削力峰值进行整理，得到如表4所示的铣削力和图3所示铣削力与切削速度的关系曲线。由图3可知：当切削速度大于 250 m/min时, 切削力随切削速度增大而快速下降；当切削速度大于 500 m/min时, 切削力变化不大， 有微量上升趋势；轴向力 F_Z在整个速度范围内变化不大。

表4  铣削力计算结果

Table 4  Milling force calculation results

3.3.2  刀具应力场

刀具应力分布如图4所示。从图4可知：在切削过程中刀具为弹性变形，刀具上的应力集中在切削刃附近的前刀面和后刀面上，这是由于切削刃与工件接触直接受到切削力的作用。图4所示为某一时刻切削刃上的应力分布图，经测量此时刻的最大应力为1 GPa。

图3  铣削力与切削速度关系曲线

Fig. 3  Relationship between milling force and cutting speed

图4  刀齿应力分布

Fig. 4  Tooth stress distribution

3.3.3  热力耦合温度场

图5所示为切削区工件和切屑的温度场云图和等温线图。从图5可以看出：与刀具前刀面接触区的切屑温度较高，局部区域为389 ℃，主要是由前刀面与工件间摩擦产生的热。因为铝合金7075材料具有较好的导热性，在切削过程中产生的热量大部分被切屑带走，因此，已加工表面的温度场虽分布不均匀，瞬间的温度主要集中在274 ℃左右，这与切削温度实验结果相吻合。温度分布主要在前后刀面与工件接触的区域：前刀面一切屑接触区，后刀面与己加工表面接触区，证明切削过程中的刀一屑、刀一工件间的高速摩擦是造成切削温度升高的主要原因之一。对于7075塑性大的材料，塑性变形功相对摩擦热是主要影响因素。

图5  温度分布

Fig. 5  Temperature distribution

4  铣削试验

4.1  试验准备

在进行高速铣削试验时，选择直径为8 mm、螺旋角为30°的YG类2齿硬质合金立铣刀，工件的长、宽、高分别为150，75和30 mm的Al 7075铝合金毛坯，机床为MAKINO高速立式加工中心V33。采用牧野(日本)的高速主轴，转速为4.0×10⁴ r/min，快移速度为 20 m/min。采用瑞士Kistler 9257B型三向多功能测力仪、5070型多通道电荷放大器以及相应的数据采集与处理系统。

4.2  试验结果及分析

通过三坐标测量仪采集实际加工过程中不同切削参数条件下切削力的变化情况，并通过Kistler 分析软件对铣削力进行整理，得到X(进给抗力)、Y(主切削力)、Z(切深抗力) 3个方向铣削力并计算铣削合力F。铣削试验测得铣削力峰值与仿真获得的铣削力峰值对比结果见表5。

表5  切削力模拟值与实测值比较

Table 5  Comparison between simulated values and measured values of cutting force

从表5可以看出：切削速度为503 m/min时的铣削力相对误差较大，这是因为切削试验时工件进给导致工作台振动，从而引起进给方向测量结果不准确；其他铣削力F的相对误差较小(在7.3％及以下)，且试验测得结果都比仿真结果小，这是实际切削条件与仿真环境的差异所致。就切削力整体分布而言，仿真结果与实际结果较吻合，且通过合理修改仿真参数可以进一步减小仿真误差。这表明利用AdvantEdge 3D进行铣削仿真试验得到的切削力比较准确，切削过程仿真可靠，完全能够部分地代替实际切削实验。

5  结论

1) 铣削力是导致工件加工变形、刀具损耗的主要因素，运用软件模拟仿真是预测切削力的重要途径。利用AdvantEdge 3D软件可对7075铝合金材料进行高速铣削试验研究，探索铣削力仿真预测方法。通过实际切削试验获得切削力，仿真结果与试验结果较吻合，验证了仿真结果的准确性和可靠性，为预测其他材料的铣削力提供了新的建模仿真方法。通过有限元仿真可以快捷、有效地研究不同切削参数下加工材料的铣削力变化规律，将仿真获得的不同切削参数下的铣削力进行比较、分析，可以优化切削参数，提高加工效率和加工质量。

2) 随着刀具切入，圆弧刃上靠近直线刃的部分首先与工件接触，此时，切削力主要在Z向正方向上。在刀齿逐渐切入工件的过程中，三向切削力逐渐增大，直到圆弧刃首先切出工件时切削力达到最大值，之后各项切削力逐渐减小。

3) 对于铣削速度v为250~1 500 m/min时的铣削7075铝合金材料，当切削速度大于 250 m/min时, 切削力随切削速度增大而快速下降；当切削速度大于 500 m/min时, 切削力变化不大，呈微量上升趋势，轴向力 F_Z在整个速度范围内变化不大。因此，在选择加工工艺参数时，为保证切削效率和系统刚性，可以优先选取较高的切削速度。

参考文献：

[1] WEINERT K, BIERMANN D, KERSTING M, et al. Experimental and computational analysis of machining processes for light-weight aluminum structures[J]. Advanced Materials Research, 2008, 43(1): 97-104.

[2] LI Hongqi, SHIN Y C. A comprehensive dynamic end milling simulation model[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2006, 128(1): 86-95.

[3] ZAGHBANI I, SONGMENE V.A force-temperature model including a constitutive law for dry high speed milling of aluminum alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(5): 2532-2544.

[4] GUO Hua, ZUO Dunwen, WU Haibin, et al. Prediction on milling distortion for aero-multi-frame parts[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 499(1): 230-233.

[5] WAN M, ZHANG W H, QIU K P, et al. Numerical prediction of static for errors in peripheral milling of thin-walled workpieces with irregular meshes[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2005, 127(1): 13-22.

[6] SHROT A, BAKER M. Determination of Johnson-Cook parameters from machining simulations[J]. Computational Materials Science, 2012, 52(1): 298-304.

[7] RAI J K, XIROUCHAKIS P. Finite element method based machining simulation environment for analyzing part errors induced during milling of thin-walled components[J]. Internal Journal of Machine Tools & Manufacture, 2008, 48(6): 629-643.

[8] 刘文辉, 张平, 杨迅雷, 等. 基于反求法的7055铝合金Johnson-Cook本构模型研究[J]. 兵器材料科学与工程, 2015, 38(4): 5-9.

LIU Wenhui, ZHANG Ping, YANG Xunlei, et al. Johnson-Cook model for 7055 aluminum alloy based on reverse method[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2015, 38(4): 5-9.

[9] 王细洋. 飞机结构件的高速铣削工艺[J]. 航空制造技术, 2013, 434(14): 64-69.

WANG Xiyang. High-speed milling process of aircraft structural par[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013, 434(14): 64-69.

[10] 宋志国, 宋艳. 高速铣削刀具及切削参数的选择[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2009, 51(1): 88-90.

SONG Zhiguo, SONG Yan. Selection of high-speed milling cutting tool and cutting parameter[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2009, 51(1): 88-90.

[11] WANG Lingyun, HUANG Honghui. Intelligent manufacturing system of impeller for computer numerical control(CNC) programming based on KBE[J]. Journal of Central South University, 2014, 21(12): 4577-4584.

[12] YE G G, XUE S F, JIANG M Q. Modeling periodic adiabatic shear band evolution during high speed machining Ti-6Al-4V alloy[J]. International Journal of Plasticity, 2013, 40(1): 39-55.

[13] SVETAN RATCHEV, LIU Shulong, HUANG Wei. Machining simulation and system integration combining FE analysis and cutting mechanics modelling[J]. International Journal of Advanced Manu, 2007, 35(1): 55-65.

[14] SONG Qinghua, LIU Zhanqiang, AI Xing, et al. Influence of chatter on machining distortion for thin-walled component peripheral milling[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2014, 2014(1): 144-155.

[15] EUN Y H, DONG W K, JONG Y L, et al. High speed pocket milling planning by feature-based machining area partitioning[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2011, 27(4): 706-713.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-08-29；修回日期：2016-10-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1530138)；上海市教委自然科学基金资助项目(gjd-07050) (Project(U1530138) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(12ZT14) supported by the Natural Science Foundation of Shanghai Municipal Education Commission)

通信作者：王凌云，教授，从事数控技术应用、先进制造技术、CAD/CAM等研究；E-mail: wanglyun16@sina.com