基于超声振动的镁合金铣削加工仿真与试验研究*

高玉侠

(长春职业技术学院 机电学院,吉林 长春 130000)

0 引 言

由于具有密度小、强度高以及比重低的特点,镁合金材料在交通运输、医疗器材以及航空航天等领域具有广泛的应用前景[1-3]。

然而,镁合金材料在加工中存在着熔点低、模量小和易蠕变等问题,严重影响其加工成本和性能[4,5]。

在对镁合金切削加工的研究中,郭子晛[6]设计了一种镁合金切削加工的有限元切削模型,分析了加工过程中背吃刀量等参数对其切削力的影响。何启东[7]构建了镁合金二维切削仿真模型,并对微细切削中的尺度效应和最小切削量进行了研究。刘龙飞[8]通过分析镁合金车削加工过程中切屑的形态变化,对锯齿化切屑的形成机理进行了研究。张春燕[9]通过构建镁合金铣削数值分析模型,计算了高速铣削时,工艺参数对其最大铣削力的影响规律。李甜[10]设计了镁合金支架铣削试验,采用响应曲面法,建立了其表面完整性回归模型,并对其铣削加工工艺进行了研究。张宏基[11]研究了镁合金切削加工工艺参数对其粗糙度的影响情况,分析了铣削力和铣削参数之间的非线性特征规律。

由以上分析可以看出,已有的研究中普遍采用二维有限元仿真和试验两种方式,分析工艺参数对切削力和表面质量等方面的影响规律。而二维模型并不能完全反应铣削力的变化情况;同时,常规的工艺参数优化对镁合金铣削的切削力和镁合金表面质量的改善仍然有限[12,13]。

针对以上问题,为提高镁合金铣削质量,笔者提出一种基于超声振动辅助铣削的工艺;在切削过程中,对刀具施加超声振动,从而改变切削机理和切削性能;为验证该方法的有效性,拟在镁合金三维铣削模型上进行数值模拟,并通过切削力、切屑形态、表面粗糙度3个指标进行试验对比,验证所用方法的实用性和可靠性,以期优化铣削工艺,提高加工效率和加工质量。

1 有限元仿真及结果分析

1.1 仿真模型建立

在ABAQUS软件中,笔者建立三维超声振动铣削有限元模型,如图1所示。

图1 三维超声振动铣削模型

图1的模型中,镁合金工件为左、右对称结构,为此,笔者在工件模型左侧和底面添加对称约束和固定约束。

该刀具为四面刃立铣刀。笔者参照OSK标准对试验中使用的铣刀进行参数建模,刀具尺寸为D12×20 mm,设置铣刀沿工件侧面直线进给,以顺铣方式进行加工;

对于铣刀和工件的接触过程,笔者设置刀具表面为主动面,切削加工区域为从动区域,两者之间摩擦类型分别为切向摩擦和法向摩擦。

笔者通过定义材料本构方程,对切削属性进行设置。

在金属切削领域,应用最为广泛的是J-C本构,仿真中镁合金在切削时的J-C本构方程可以表示为[14]:

(1)

镁合金材料参数由文献[15]获得,具体参数如表1所示。

表1 镁合金材料属性

为了简化仿真的计算过程,笔者将模型中铣刀设置为刚体,并忽略磨损和相变对加工质量的影响;此外,笔者采用切削区域局部密化方式对工件进行网格划分,在工件非切削部分进行稀疏网格处理(工件和铣刀划分网格后设置单元类型为C3D8R)。

1.2 仿真结果分析

笔者对普通铣削和超声振动铣削的仿真结果进行分析,并在可视化模块中提取两者的铣削力和Mises应力图进行对比。

仿真工艺参数如表2所示。

表2 仿真工艺参数

笔者对普通铣削和超声铣削的铣削力进行仿真分析,结果如图4所示。

图4 三维铣削仿真铣削力波动图

从图4中可知:

(1)采用普通铣削时,铣削力明显高于超声铣削;此外,Z方向铣削力的变化毫无规律,还会出现铣削力剧烈波动的情况;

(2)在超声铣削仿真中,3个方向的铣削力都呈平稳波动得正余弦周期性变化。

为了进一步分析铣削力,笔者建立相应的Mises应力云图,如图5所示。

图5 三维铣削仿真Mises应力图

图5中,在超声振动的作用下,铣刀和工件之间呈间歇性接触,由于在刀具向下振动时,接触面积逐渐增大,因而应力在铣刀位于最低点时处于极大值,铣刀位于最高点时应力最小。

通过对比可知:超声铣削应力最大值和普通铣削应力值基本相同,由此可知超声振动可以有效降低工件表面受到的应力,不会产生普通铣削时的块状蹦碎,而是在超声作用下形成规则的条纹状切屑,这有助于提高加工后工件表面的质量。

2 试 验

为验证该方法的有效性,笔者拟在镁合金三维铣削模型上进行数值模拟,并通过切削力、切屑形态、表面粗糙度3个指标进行试验对比,验证所用方法的实用性和可靠性,以期优化铣削工艺,提高加工效率和加工质量。

笔者构建的超声振动铣削试验平台如图6所示。

图6 超声振动铣削试验平台

图6(a)为铣床和超声振动刀柄,由图6(b)所示的超声振动发生器提供能量,其最大超声功率为300 W;

图6中,刀柄前端装有直径10 mm的四面刃立铣刀,以此来对工件进行加工;工件安装在Kistler 9255C传感器上,由图6(c)中的数据采集系统采集加工中产生的电信号,以此来对加工中的铣削力进行控制。

试验前,笔者先对工件表面的氧化层进行铣削处理,以降低氧化层对试验中铣削力的影响。工件加工区域尺寸为80 mm×50 mm×30mm。

试验中采用风冷的方式,以防止冷却液对铣削力产生干扰。

对于每组参数笔者都进行3次试验,以降低随机误差对试验结果产生影响。

3 试验结果与分析

试验加工后,工件表面不可避免地存在某些质量问题,这些质量问题对零件的使用寿命将产生潜在的影响。由于工件的表面质量和铣削力以及切屑之间具有较强的相关性,因此,对试验中铣削力与切屑进行检测和分析,可以较为准确地评判加工后的表面质量情况。

3.1 切削力对比情况

笔者以表2中的参数进行试验,截取铣削加工中平稳阶段的切削力进行降噪处理。

普通铣削和超声振动铣削时,测得X、Y和Z这3个方向的铣削力如图7所示。

图7 三维铣削试验铣削力波动图

从图7中可知:超声铣削时,切削力整体较为平稳,Z方向的切削力波动较小;普通铣削加工时,3个方向的切削力都呈现出较高的水平,并且Z方向还存在切削力漂移的情况,这可能是普通铣削加工时,连续切削导致加工区域和工件整体温度升高所造成的。

通过将试验和仿真两者的铣削力进行对比,结果表明,两者之间的波动形式基本一致。

笔者提取稳定切削状态下普通铣削和超声振动铣削时铣削力随时间变化的平均值,将试验测量的值和仿真计算值进行对比,试验工艺参数和仿真模型保持一致。

仿真与试验对比结果如图8所示。

图8 不同方向铣削力对比情况

从图8中可知:超声振动辅助铣削可以有效降低X、Y和Z这3个方向的铣削力,X方向和Y方向铣削力降低得尤为明显,由试验数据可得3个方向的铣削力分别降低了37.2%、37.3%和20.9%;

由图8中方差可知:超声振动辅助加工时,铣削力的波动有一定程度的减小,提高了铣削加工的稳定性。

笔者将铣削力仿真计算值和试验测量值进行对比,计算可得3个方向的相对误差分别为10.3%、4.1%和9.3%。

仿真值和试验值之间存在误差,主要是由于铣削仿真过程处于理想状态,不存在实际加工中机床的振动和装夹误差,且测力仪测试时会受到外界环境的干扰出现铣削力漂移等情况;此外,铣刀在加工中由于未使用冷却液而导致磨损加剧,也会造成仿真和试验之间的误差。

3.2 切屑形态对比情况

笔者对普通铣削和超声振动铣削时产生的切屑进行分析。切屑样式如图9所示。

图9 铣削加工切屑对比图

通过对比图9可知:在普通切削加工中,切屑形状较为连续,并且呈较为明显的螺旋状卷曲,卷曲角度较小;而超声振动辅助铣削形成的切屑长度较小,卷曲的角度较大。这主要是由于超声振动的引入导致切削刃在切屑表面形成了裁切的效果,造成切屑断裂。

此外,由于超声振动铣削过程中铣刀对切屑的裁切作用,不仅可以有效降低加工过程中的铣削力,还可以避免较长切屑对铣削过程产生干扰,保证了铣削过程的稳定。

3.3 表面粗糙度对比情况

为进一步讨论超声振动对切削的辅助作用,笔者对两种切削加工后的工件表面粗糙度进行分析,其表面形貌如图10所示。

图10 铣削表面微观形貌

从图10(a)可知:在普通铣削后,工件表面产生的纹理方向几乎平行于主轴方向,工件表面形成了较深的切削条纹和沟槽,这和仿真结果基本保持一致;

图10(b)为超声振动铣削加工的工件表面,虽然整体上依旧存在轴向切削条纹,但条纹整体深度较小,并没有产生明显的沟槽。

笔者将两种加工方式形成的微观形貌进行对比,结果表明,尽管超声振动的引入并未完全消除工件表面的微观条纹,但对于表面的质量依旧有很大的改善。

接下来,笔者使用粗糙度检测仪对工件表面不同位置的粗糙度Ra进行测量,通过对比普通铣削和超声振动铣削后工件的粗糙度值,探究超声振幅对表面质量的影响规律。

试验工艺参数中,铣削深度、进给速度、主轴转速、铣削宽度和振动频率保持不变,超声振幅分别为1 μm、3 μm、5 μm、7 μm和9 μm,则表面粗糙度随超声振幅的变化情况如图11所示。

图11 表面粗糙度随超声振幅的变化情况

从图11可知:在普通铣削(H=0 μm)加工中,工件表面的粗糙度最大,此时粗糙度平均值为0.33 μm;

随着超声振幅的增加,工件表面的粗糙度呈逐渐降低的变化趋势。这是由于在轴向超声振动作用下,铣削时切削刃和工件之间高频接触和分离,形成的切屑发生断裂,不会在铣刀表面形成积屑瘤;并且加工中工件表面受切削刃的往复碾压,形成了近似于抛光的效果;

当超声振幅达到5 μm时,表面粗糙度为0.16 μm,此后随超声振幅的进一步增加,表面粗糙度没有得到显著降低,但粗糙度的方差相对更小,表明超声振动铣削后,工件表面粗糙度的差别较小[16]。

4 结束语

为了研究超声振动在镁合金铣削加工中的辅助作用,笔者通过仿真软件建立了镁合金的铣削模型,分析了超声振动对铣削力和表面应力的作用机理,并设计了超声振动铣削试验,分析了超声振动对铣削力、切屑形态以及表面粗糙度的影响规律。

研究结论如下:

(1)超声振动改变了刀具与工件之间的切削轨迹和作用形式,从而大幅降低了镁合金加工中受到的铣削力。试验结果显示:X、Y和Z这3个方向的铣削力分别降低了37.2%、37.3%和20.9%;仿真和试验的铣削力误差在4.1%～10.3%之间,表明仿真模型具有较高的准确性;

(2)超声辅助加工在刀柄上施加了高频振动,刀尖的运动轨迹均呈现螺旋状变化,使铣刀对切屑产生了剪切作用,既降低了铣削力,又保证了铣削过程的稳定;

(3)与普通切削相比,超声辅助切削通过控制超声振动的相位差,改变材料加工过程的切削机理,从而有效降低了工件表面粗糙度,提高了加工精度。随着超声振幅的增加,工件表面粗糙度呈下降趋势,当超声幅度达到5 μm时,工件表面粗糙度为0.16 μm。

在后续研究中,笔者将进一步分析超声辅助加工中刀具的振动情况,并采用模态分析结果来对超声振幅进行优化,以期获得最优的超声辅助加工加工参数。