7075 铝合金超声振动铣削仿真研究

柴宁生，张敏良，史春光，龚楠，谢浩

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 ）

0 引言

7075 铝合金是一种冷处理锻压合金，具有结构紧密，机械性能强，耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性能好等特点，在航天航空、模具加工、机械设备、工装夹具等领域应用非常广泛[1]。但由于铝合金薄壁件自身的刚度较低，在加工过程中极易产生加工变形，导致加工精度很难控制，从而影响产品的合格率和零件的使役性能，为了提高加工质量就需要对切削加工过程的切削力和切削热进行控制[2]。

超声振动铣削，是在铣削加工中对刀具或工件施加超声振动，使铣刀和工件产生周期性分离的加工方式，可有效改善材料的加工性能，提高工件的加工质量[3]。铣削过程中的振动频率、振动幅度以及主轴转速等参数对加工过程中的切削力、切削温度有着明显的影响，因此，通过参数优化选择合适的加工参数对于提高工件的加工质量有着重要的意义[4]。

针对超声振动铣削过程中切削力、切削温度的参数优化[5]，学者们做了大量研究。马猛等[6]以7075 铝合金为研究对象，残余应力和材料去除率为目标函数，利用遗传算法对切削参数进行参数优化，得到实际车削中的最优切削参数；李丹等[7]建立了传统铣削7075 铝合金的铣削力模型，得到了铣削过程中各个铣削参数对铣削力的影响规律；梁爽等[8]以铣削加工过程中的表面粗糙度为研究对象，对比分析了多种参数优化模型，证明了GA-BP 预测模型对铣削过程的表面粗糙度具有较高的预测精度；赵向阳等[9]以材料去除率最高、表面粗糙度最低为目标函数，采用回归分析方法建立了多目标优化模型，得到了切削参数对表面粗糙度和材料去除率的影响规律；Zhao 等[10]以光学玻璃为研究对象，进行了超声振动铣削和普通铣削，得到了铣削参数对铣削过程的影响规律，证明了超声振动铣削相比于普通铣削的优异性。

本文采用AdvantEdge 仿真软件对超声振动铣削7075 铝合金的切削过程进行仿真分析，使用田口法对仿真数据进行了参数优化，得到了最优参数，最后以控制变量法对铣削过程中振幅、频率以及主轴转速对切削力、切削温度的影响规律进行研究。

1 有限元模型的建立

铣刀的形状复杂，由多条切削刃构成，在铣削过程中并不是全部切削刃都同时参与切削，实际参与切削的切削刃只有一条[11]。因此可将三维铣削过程简化为二维车削过程，参与切削的工件材料为一段厚度逐渐变化的切屑[12]，切削过程如图1 所示。

图1 切削过程Fig.1 Cutting process

采用AdvantEdge 软件对铣削过程进行二维仿真有限元分析。铣削方式为顺铣，不添加切削液[13]，工件材料为7075AL-T6,刀具材料选取刀具库里的普通硬质合金，切削参数如表1 所示。

表1 切削参数Tab.1 Cutting parameters

2 结果分析

田口法包括正交实验和信噪比两个基本工具。通过正交实验设计减少试验次数，可以有效减少试验成本，且正确地选择影响因子也可以减少试验成本，并增加优化结果的准确性。

2.1 正交实验的设计

选取振幅、频率和主轴转速为影响因子，每个影响因子取3 个水平，如表2 所示。

表2 正交试验表Tab.2 Orthogonal test table

2.2 正交实验仿真结果分析

采用3 因素3 水平正交试验对7075-T6 铝合金进行铣削仿真试验，切削力和切削温度的仿真结果如表3 所示。

表3 仿真数据Tab.3 Simulation data

不同的问题选用不同的量作为信噪比。切削力在切削过程中起着至关重要的作用，切削力越大，对工件表面的冲击越大，会导致工件表面质量差和工件形变大等问题[14]，且加工过程中过高的切削温度同样会导致表面加工质量差，故信噪比分析中对切削力和切削温度采用望小原则进行优化分析。

2.3 切削力的结果分析

使用田口法对切削力进行分析，均值响应表和信噪比响应表分别如表4、表5 所示。

表4 Fx 均值响应表Tab.4 Fx mean response table

表5 Fx 信噪比响应表Tab.5 Fx SNR response table

均值主效应图、信噪比主效应图分别如图2、图3 所示。

由表4、表5 可得，影响因子的信噪比为振幅（1.45）＞频率（1.07）＞主轴转速（0.77），3 个影响因子中振幅对切削力的影响最大，频率次之，主轴转速的影响最低。切削力属于望小特性，从图3 可得，选取信噪比中影响最显著的两个影响因子，以其信噪比最大值为最佳水平，即振幅和频率的最佳水平为振幅0.006 mm、频率40 000 Hz。从图2可得，对切削力影响显著性最低的主轴转速可选数值最低为最佳水平，即以切削力望小特性分析，切削最优参数为振幅0.006 mm、频率40 000 Hz、主轴转速1 500 r/min。

图2 Fx 均值主效应图Fig.2 Fx mean main effect diagram

图3 Fx 信噪比主效应图Fig.3 Main effect diagram of Fx signal-to-noise ratio

2.4 切削力的结果分析

采用3 因素3 水平的正交试验表对切削过程进行仿真分析，使用田口法对切削力进行数据分析，均值响应表、信噪比响应表分别如表6、表7 所示，均值主效应图和信噪比主效应图分别如图4、图5 所示。

图4 Fy 均值主效应图Fig.4 Main effect diagram of Fy mean

表6 Fy 均值响应表Tab.6 Fy mean response table

表7 Fy 信噪比响应表Tab.7 Fy SNR response table

从表6、表7 可得，三个影响因子中频率对切削力的影响最大，主轴转速次之，振幅的影响最小，影响因子的信噪比为频率（1.80）＞主轴转速（1.29）＞振幅（1.16）。从图5 可以看出，切削力为望小特性，且信噪比都大于1，故选用3 个影响因子的信噪比最大水平为最佳水平，即最优参数为频率40 000 Hz、主轴转速1 500 r/min、振幅0.006 mm。

图5 Fy 信噪比主效应图Fig.5 Main effect diagram of Fy signal-to-noise ratio

2.5 切削温度的结果分析

切削温度的高低会直接影响到已加工表面的残余应力大小[15]。以较低切削温度为期望特征，使用田口法进行参数优化，均值响应表、信噪比响应表分别如表8、表9 所示，均值主效应图、信噪比主效应图分别如图6、图7 所示。

从表8、表9 可得，影响因子相对应的信噪比为主轴转速（1.82）＞振幅（0.78）＞频率（0.34）。由图7 可知，以信噪比最大的主轴转速为最优，即主轴转速最优水平为1 500 r/min，由图6 可以看出，振幅和频率选用均值最小值为最优水平，即切削最优参数为主轴转速1 500 r/min，振幅0.00 2mm，频率20 000 Hz。

表8 切削温度均值响应表Tab.8 Mean response table of cutting temperature

表9 切削温度信噪比响应表Tab.9 Cutting temperature signal-to-noise ratio response table

图6 切削温度均值主效应图Fig.6 Main effect diagram of mean cutting temperature

图7 切削温度信噪比主效应图Fig.7 Main effect diagram of cutting temperature signal-to-noise ratio

3 单工艺参数的影响

3.1 振幅的影响

以单因素分析法选取振幅为0.002，0.004，0.006，0.008，0.010，0.120 mm 进行超声振动铣削仿真分析，切削力和切削温度如图8 所示。

图8 振幅的影响Fig.8 Effect of amplitude

从图8 可以看出，随着振幅的增加，切削温度逐渐增加；切削力逐渐减小，趋于平缓；当振幅大于0.01 mm 时，切削力开始逐渐变大。这是因为，超声振动铣削具有减小切削力的特点，但是随着振幅的逐渐增加，刀具对工件的冲击力逐渐增加，直至冲击力大于减小的切削力时，切削力随振幅的增大逐渐升高[16]。故选用适当的振幅有利于减小切削力和保证较好的表面加工质量。

3.2 频率的影响

选取频率为20 000，25 000，30 000，35 000，40 000，50 000 Hz，研究超声振动铣削过程中频率对切削力和切削温度的影响规律，结果如图9 所示。

图9 频率的影响Fig.9 Influence of frequency

从图9 可以看出，随着频率的增加，切削温度总体上逐渐增大，增长趋势逐渐减缓；切削力随着频率的增加逐渐减小。在25 000～40 000 Hz 区间，切削力Fx下降了3.18 N，切削力Fy下降了2.52 N，切削温度上升了3.94℃；40 000～50 000 Hz 区间，切削力Fx下降了2.25 N，切削力Fy下降了2.92 N；切削温度上升了2.93℃。说明随着频率的增加，超声振动切削降低切削力的效果逐渐明显，但频率的增加导致刀具和工件的接触时间增加，热量无法及时排出，因此切削温度的升高趋势也逐渐明显。

3.3 主轴转速的影响

为探究超声振动铣削过程中主轴转速对切削力和切削温度的影响规律，保持其他参数不变，选取主轴转速分别为1 000，2 000，3 000，3 500， 4 000，5 000 r/min 进行探究，切削力和切削温度的结果如图10 所示。

图10 主轴转速的影响Fig.10 Influence of spindle speed

从图10 可以看出，随着主轴转速的增加，切削力总体上呈增长趋势，在3 000～3 500 r/min 区间内逐渐减小。这是因为在切削过程中，随着热量的产生与积累，切削温度逐渐升高，导致工件材料发生了热软化效应[17]，切除材料所需的切削力降低；随着主轴转速的增加，切削温度逐渐增加。

4 结论

以7075 铝合金为研究对象，利用正交试验及田口法对超声振动铣削过程中的切削力、切削温度进行参数优化，所得最小切削力的切削参数组合为振幅0.006 mm，频率40 000 Hz 及主轴转速 1 500 r/min，最低切削温度的切削参数组合为主轴转速1 500 mm，频率20 000 Hz 及振幅0.002 mm。以控制变量法为研究方法，研究了振幅、频率及主轴转速对铣削过程中切削力、切削温度的影响规律。结果表明，随着振幅的增加，切削力先减小后增大，在振幅为0.01mm 时达到最小值；切削温度呈增大趋势。随着频率的增大，切削力持续减小，切削温度逐渐升高，在频率为35 000～40 000 Hz 区间内，切削温度的增长趋势减缓。随着主轴转速的增加，切削力先减小后增大，切削温度逐渐增大，在3 000～4 000 r/min 区间内增长趋势减缓。