薄壁板高速铣削加工过程中的让刀误差预测

第40卷第4期2006年4月

浙　江　大　学　学　报(工学版)

Journal of Zhejiang University (Engineering Science )

Vol.40No.4

Apr.2006

收稿日期:20051205.

浙江大学学报(工学版)网址:/eng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50435020);中国博士后科学基金资助项目(2005037259).

作者简介:董辉跃(1974-),男,山东青岛人,博士后,从事先进制造技术方面研究.E 2mail :donghuyue @

薄壁板高速铣削加工过程中的让刀误差预测

董辉跃1,柯映林1,杨慧香2

(1.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027;2.长春工业大学机电工程学院,吉林长春130012)

摘　要:为了研究薄壁工件在铣削加工过程中的让刀误差以及获得使让刀误差较小的优化铣削参数,以薄壁板为例,在进行高温拉伸试验和高速压缩试验获得材料力学性能的基础上,建立了薄壁板铣削过程的热力耦合有限元模型.通过模拟螺旋立铣刀与工件材料之间相互的物理作用,获得了铣削力的变化曲线和铣削热的分布,同时得到了在刀具与工件之间物理作用下壁板随刀具的旋转与进给运动而产生的让刀变形,从而得到了薄壁板在铣削过程中的最大让刀误差.根据该有限元模型的结果可以优选薄壁件铣削用量,优化刀具几何形状,弥补让刀变形.关键词:薄壁板;有限元模型;让刀误差

中图分类号:T G54;T G659 文献标识码:A 文章编号:1008973X (2006)04063404

Milling error prediction of thin 2w alled parts during

high 2speed m achining

DON G Hui 2yue 1,KE Y ing 2lin 1,YAN G Hui 2xiang 2

(1.College of Mechanical and Energ y Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China;

2.College of Elect romechanics Engineering ,Changchun Technology Universit y ,Changchun 130012,China )

Abstract :To st udy milling error and optimize machining parameters t hat minimize t he deflection during cutting low rigidity part ,a t hin 2walled panel was taken as an example.A new finite element model (FEM )suitable for dynamic machining error p redictio n of low rigidity component s was presented.Depending on high speed impact experiment and material drawing experiment ,t he constit utive model of Al7050T7451was achieved under machining conditions when high strain rate ,high st rain and high temperat ure occur.The achieved workpiece material constit utive model was p ut into t he finite element model to simulate t her 2mo 2mechanical coupling ,dynamic behavior and cutting mechanics which occurred in t he machining process of t he t hin 2walled st ruct ling error was obtained during t he rotation and feed movement of t he tool.The simulation model p resented is helpf ul for determining t he cutting parameters ,geometric accuracy and tool geomet ry wit hout performing real cutting experiment s for rapid machining of complex low 2rigidity part s.

K ey w ords :t hin 2walled part ;FEM ;milling ernr

由高强度铝合金整体切削而成的低刚度薄壁结构件被广泛应用在航空领域;然而,由于工件的壁板、筋条和腹板等主要特征厚度很小,铣削过程中极易由于刚度过低而引起让刀变形,从而导致加工精度降低.为了弥补因为让刀带来的误差,车间采用的

措施是应用试错法进行大量试验.有限元方法是优化选择薄壁件加工参数的有效方法.但是现有的通过有限元研究薄壁件立铣让刀变形的文献采用的基本都是一种方法,即建立刀具与工件之间的作用力模型(包括刚性模型和柔性模型),按照刀具在铣削

过程中旋转的角度,依次将铣削力离散地施加到单元的节点上[125].这种方法的切削力是作为已知量施加到模型当中的.然而切削力是刀具和工件相互作用的结果,是因为这种结果的存在才导致薄壁件的变形.虽然文献中施加的切削力是随着刀刃的切入长度变化的,但是将切削力通过边界条件施加到单元节点上的过程是一个静态过程,而切削实际是一个动态的热力耦合过程[627].另外,文献中很少涉及到切削温度[8].切削温度和切削力一样,都是刀具和工件相互作用的结果.本研究中所建立的刀具和工件的有限元模型,通过刀具的旋转和进给,实现刀具与工件的互作用,真实地模拟材料实际切除的热力耦合过程.在该过程中,切削力和切削热是因为刀具与工件材料之间相互的物理作用而产生的;切削力和切削热的共同作用引起了工件的让刀现象.

1　铝合金7050T7451力学性能测试

铝合金铣削过程中,伴随着切屑的生成,在第一

剪切区和第二剪切区(刀屑接触面)铝合金都会产生非常高的应变率和较大的变形.在这两个变形区以及整个切屑上的温度都非常高.金属的应变率、应变和温度对金属的力学性能会产生较大的影响.为了使模拟结果更加接近铝合金的真实切削过程,必须进行高温拉伸试验、准静态压缩试验和高温、高速压缩试验以获得各种温度和各种应变率下的金属力学性能.1.1　高温拉伸试验在25T SHIMADZU 电子万能试验机上进行铝合金静态拉伸试验以获得各个温度(20、100、125、

150、200、225、250和300℃)下的弹性模量、屈服极

限和强度极限.试验结果见图

1.

图1　铝合金高温拉伸真实应力2应变曲线

Fig.1　True stress 2strain curves of 7050T7451under differ 2

ent temperatures

1.2　准静态压缩试验和高温、高速压缩试验

使用M TS 仪器测量测试4个温度点(20、100、

200和300℃)下应变率为0.001s -1时的应力、应

变曲线,每种试验取两组有效数据进行平均.

高速压缩试验采用直径为14.5mm 的SHPB (split hopkinson press bar ).试样是直径为8mm 、长度为4mm 的圆柱体,用电子加热炉升至高温,测试4

个温度点(20、100、200和300℃

)下应变率分别为2000、3000、4000和5000s -1时的应力2应变曲线.试验前后的试样见图2.图3所示的是应变率为2000/s 时材料4

个温度点的应力2应变曲线.

图2　高速压缩前后的铝合金试样

Fig.2　Un

2compressed and compressed 7050T7451sample

图3　应变率为2000/s 时各个温度下的应力2应变曲线

Fig.3　Stress 2strain curve when strain rate is 2000/s and tem 2

peratures are different

在通过准静态压缩试验和高速压缩试验获得材料动态力学性能曲线的基础上,采用适合于金属材料的Jo hnson 2Cook 模型(式(1))拟合试验数据.σ=(A +B εn

)1+C ln εε・01-θ-

θr

θm -θr

m

.(1)

式中:σ、ε、 ε和θ分别为试件材料的应力、应变(塑性应变)、应变率(塑性应变率)和环境温度.在这里由于一般Johnson 2Cook 模型适用于大应变、高应变率的场合,弹性应变相对很小,可以略

去不计. ε0为10-3s -1

,相当于准静态实验的试件应变率.θr 和θm 分别为室温和试件材料的熔化温度.式(1)中第一个括号表示室温条件下准静态的应力2

应变关系,参数A 为试件材料的静态屈服应力,B

和n 则反映了试件材料的应变硬化特性;式中第二个括号表示材料的应变率效应,表明材料的强度提高是与材料的应变率的对数成线性关系;C 反映了材料应变率效应的敏感程度;公式中第三个括号表示环境温度的影响,式中的m 反映了材料对环境温度热软化效应的敏感程度.

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