铝合金高速铣削的应力研究

吕广昱

（陕西航天导航设备有限公司，陕西 宝鸡 721006）

0 引言

在现代军工、航天等工业中，由于高速铣削具有高精度的优点，因此被大量用于加工精度极高的精密传感器安装平台，但精度和效率间的矛盾一直困扰着相关业界。零件加工中的变形是生产中长期存在的技术难题，目前，加工中控制变形的相关工艺措施依旧不完善，其变形程度随零件尺寸的增大而加剧，这种状况严重制约了相关行业的发展。因而研究高速铣削加工变形的机理及相应工艺措施，对于提高我国相关工业的发展水平，不仅具有重大的理论意义和工程应用价值，而且也是提高我国制造业的迫切需要。

1 变形原理分析

机械加工中零件变形产生的原因十分复杂，而且影响因素也多种多样，如成形方法、加工参数的选择、材料的组织状态、晶粒的大小与疏密程度、零件的形状等都会对其造成影响。

金属的切削过程实际上是：金属材料在刀具的作用下首先发生弹性变形；随着刀具的继续切入，金属内部的应力、应变不断增大，逐渐达到材料的屈服极限，塑性变形开始主导整个变形过程，金属晶格滑移；刀具继续前进，当应力达到材料的断裂强度后，切屑被从材料上挤裂、脱落［1］。切削应力主要由加工抗力和残余应力两部分组成。其中大部分加工抗力会随着切屑的脱落而释放，但仍有一部分会作用于工件造成一定程度的零件变形；同时，由于刀具对工件表面的挤压和摩擦而使在工件表面和内部产生的加工残余应力处于一种不稳定的状态［2］，会在外界条件的影响下释放，使工件的某些部位产生明显的变形。

总体来说，因为零件的结构不同，切削应力造成的变形不会均匀发生在工件的所有部位，这种不均匀的变形最终造成工件整体上的扭曲变形。所以，控制加工中的切削应力是减少变形的有效途径。

为了控制切削应力对工件变形的影响，本文主要针对加工参数和零件结构进行研究。

2 模拟分析

通过对铣削加工中产生的应力进行数值模拟并找出某些规律，在生产中可以实现对工件变形的控制。主要从加工参数和零件结构两方面分析研究，再辅以对比优化，得出合理的加工参数，并在该条件下进行相关分析。

通常情况下，轧制板料存在较明显的各向异性，即沿垂直于轧制方向上的屈服应力σ0.2大于平行轧制方向上的屈服应力［3］。所以在铣加工时，刀具的行进轨迹应尽可能地选择与板料的轧制方向一致（如图1 所示），这样可以有效地减少切削应力的产生。

图1 刀具轨迹示意图

2.1 铣削方式的选择

铣加工过程中，铣削深度对零件加工应力有很大的影响，所以分层多次铣削可以有效减少加工应力，具体每层切削深度可在模拟分析过程中综合考虑变形量后对比确定。

2.2 加工模拟分析

本文主要研究在其他条件不变的情况下，不同的主轴转速和刀具行进速度下加工应力对变形的影响。

2.2.1 模型的建立和参数的选择

选用刀具直径为Φ10mm 的四刃立铣刀，旋角为45°，轴向切深为2 mm；工件材料为Al3003。为减少模拟所需要的时间，本文只进行局部切削模拟，铣削加工的三维模型如图2所示。

图2 铣削加工的三维模型

模拟过程中作为变量的参数主要是主轴转速，而工作台行进速度则可通过公式（1）计算得出，详细见表1。

其中：v 为工作台行进速度，mm／s；fz为进刀量，mm／刃；Z 为铣刀刃数；n为主轴转速，r／min。

表1 变量参数表

2.2.2 数字模拟

通过建立的模型，按变量参数表中的数值进行模拟分析，可得到加工中的应力值，见图3。总结不同主轴转速、工作台行进速度下的模拟结果，可以得出相应的柱状图，如图4所示。

图3 铣削加工的等效应力图

图4 不同参数下的加工应力柱状图

2.3 模拟结果分析

由图4可以发现在主轴转速12 000r／min、工作台进给速度40 mm／s时，加工应力出现大幅增长，该现象产生的原因主要是力学因素的作用［4］，图5为各组参数下模拟的3个方向的最大切削力的变化规律。

图5 3个方向下刀具最大切削力

图6为切削示意图。切削加工过程中，由于工作台进给速率过大，造成单刃切削量增大，使后刀面产生法向力挤压工件表面；随着刀具的回转，前刀面对切屑拉扯的作用力增大，而其沿X 向和Z 向的分力（即X向和Z 向的拉应力）增大。

因此，基于前述分析，将第3组参数中的工作台进给速度由40mm／s降为39mm／s后，重新对加工过程进行模拟分析，切削应力由285 MPa降至260 MPa。由此可见，主轴转速与工作台进给速度间的协调对切削应力有很大的影响。

图6 切削示意图

3 结论

高速铣削加工过程中，主轴转速与工作台进给速度对切削应力有很大的影响，从图4、图5中也可以看出，单方面地提高或降低主轴转速和工作台进给速度并不能在控制变形的同时提高生产率。因此在加工前，利用有限元软件对加工过程进行模拟分析，从中选取更合理的加工参数，并对之进行优化，可以在保证加工精度的前提下大幅提高加工效率。

［1］ 周华.论金属切削过程及其物理现象［J］.科技风，2010（16）：237－238.

［2］ 陈德兰.控制薄壁零件变形的工艺措施［J］.装备制造技术，2010（6）：119－120.

［3］ 张德荣.在平行和垂直轧制方向上钛板的屈服应力与R值的定量关系［J］.金属学报，1989（6）：415－419.

［4］ Okushima K，Kakino Y.The residual stress produced by metal cutting［J］.Annals of the CIRP，1971，21（1）：3－14.