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微量润滑切削技术(MQL)在切削加工的优势-切削7055铝合金为例

发布时间:2019-12-31 17:03文字数:7967字

  摘要:微量润滑切削技术(MQL)是一种重要的绿色切削技术,秉承绿色制造的理念在切削加工过程中无废气、废渣、废液的排放。在减小切削力,降低切削温度、提升润滑效果的同时还提高了已加工表面的表面质量。特别是在切削加工难加工材料时,更体现出微量润滑的独特优势。研究中所用的 7055铝合金是一种难加工材料,采用传统加工方法时,会出现切削力过大、切削区域温度过高、刀具寿命极大缩短进而造成生产效率低、资源消耗大,限制了7055铝合金在此领域的应用和发展。本文采用MQL技术,试验仿真相结合,针对微量润滑条件下高速切削加工7055铝合金的切削力、切削温度进行了研究。

  首先,通过有限元分析软件准确构建7055铝合金高速切削加工过程动态物理仿真模型,对刀具应力场和温度场的三维数值模拟计算。得到微量润滑条件下高速切削7055铝合金的刀具的应力场和温度场分布。

  其次,在干式与低温微量润滑两种不同环境下,采用不同切削参数进行高速切削7055铝合金的单因素切削试验,分别测量两种不同切削环境下的切削力,同时测量切削区域的温度。深入分析微量润滑在高速切削7055铝合金加工中的减摩效果,得到微量润滑环境下切削力、切削温度与各切削参数的变化规律。最后,应用遗传算法建立多目标优化模型,根据约束条件得到最优的切削参数,从而为实际生产加工提供参考。

  关键词:微量润滑;7055铝合金;切削加工;有限元仿真

  1 绪论

  1.1研究背景及其意义

  (1)带来资源浪费和经济上的损失,加工制造业中,与切削液有关的费用约占加工成本的17%,如图1-1所示。据德国对汽车行业的调查在工件总的加工成本中,切削液费用占7-17%,而刀具的成本仅占24%。美国Batyers刀具公司也作了这方面的统计,发现切削液消耗费用是刀具费用的3~4倍。

  (2)把切削液未经处理或是处理不当直接排放,不仅会污染地表水和地下水,土地、空气,甚至严重影响动植物的生长,严重影响生态平衡。

  (3)切削液中的化学成分会危害人类的健康,切削液的飞溅、挥发到周围环境中,工人长期处于这样的环境中对他们的健康不利,例如可能感染呼吸道疾病,患皮肤癌等。

  本文所使用的微量润滑技术(MQL),是一种拥有广阔发展前景的绿色切削技术,在制造技术中的地位占有举足轻重,正逐渐代替传统切削而被应用到实际生产当中。

  大量科学研究发现,MQL技术非常适合切削加工难加工材料。本文研究的7055铝合金即是一种应用于航空航天领域的难加工材料,它被广泛应用在航空飞机的起落架外筒等重要零部件上,在飞机起飞和着陆时需要承受巨大的载荷与冲击。在传统切削加工时,这些特性会造成切削时刀具承担巨大切削力的同时还要承受很高的温度,影响加工质量,从而威胁着飞机起落架的工作寿命和安全性能,严重时会引发折断,图1-3为折断的飞机起落架。同时传统切削加工使用大量的切削液,根据政府间气候变化专门委员会测算,航空业产生的二氧化碳在全部人为排放中已达到3%,对生态环境的危害愈加严重。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1国外研究现状

  可持续发展己经成为当今时代发展的主题,机械加工过程使用的切削液也要绿色清洁 很多学者开始研究绿色切削加工技术,其特点是资源利用率高,经济效益好,对环境无公 害。如图1-2所示,目前绿色切削加工技术按是否使用切削液可以分为干式切削、亚干式 切削、绿色湿式切削。干式切削又可分为不使用任何冷却介质的干式切削和使用气体作为 冷却介质的气体射流切削,其中气体又有常温气体和低温气体;绿色湿式切削是加工过程 中使用可生物降解,对人类和环境无危害的绿色切削液,从而实现绿色切削;亚干式切削 技术综合两项技术的优点,主要是指使用压缩气体将少量润滑液喷射到切削加工区域的微 量润滑切削,根据压缩气体温度的高低又可以分为微量润滑切削和低温微量润滑切削。

  1.2.2国内研究现状

  Diniz等在不同的切削条件下进行ABNT 1045钢的车削试验,分别对比干切削和湿式 切削下刀具寿命和工件表面粗糙度,得出结论:精加工过程采用干切削,若增加进给量和 增大刀尖半径,降低切削速度,不仅不会影响刀具寿命和切削时间,还可以降低表面粗糙 度和功耗。随后,他又在干切削条件下粗车ABNT 1045钢,与浇注切削液条件下对比, 指出:①干切削不宜采用较大的切削深度,这样可以延长刀具寿命;②当使用切削液时, 刀具材料的硬度一定要高,在干切削时,刀具除了要求有高的硬度外,还必须有高的耐热 性能;若采用较小的切削深度,较高的切削速度,干切削条件下的刀具寿命与使用切削 液条件下相当。不断发展的刀具技术,使得干式切削可以适用于更多的切削加工过程中,成熟的刀具 涂层技术也不断扩大着干切削的加工范围,干切削加工过程中切削区域的温度高及刀具与 切屑、刀具与工件的剧烈摩擦导致刀具磨损严重等因素己不再成为限制。Fukui等在铝合 金的铣削试验中,对比使用涂层刀具的干切削条件下的和未涂层刀具的湿式条件下的刀具 磨损和工件的表面粗糙度,结果表明:在干切削条件下,使用DLC涂层刀具时加工表 面粗糙度大约降低到未涂层刀具时的一半。DLC涂层条件下的刀具前刀面摩擦系数较 低,随着切屑速度的增加,切屑厚度变薄,卷曲直径变小,指出DLC涂层可以降低刀具 基体的磨损,从而成功地延长刀具的使用寿命 。Sokovic等研究指出了采用PVD涂层硬质合金高速端铣时刀具寿命不可预测的主要 原因,他们指出了这种涂层刀具特征化的磨损类型,即高速切削过程中切屑和前刀面上部 的扩散过程导致月牙洼磨损,与环境的氧化反应(在空气中干切削)导致切削刃磨损,从 而缩短了切削刃长度。这种刀具的特征化磨损特性(也称为“中心磨损”)可以用来定义 干切削条件下高速铣削合金工具钢X63CrMoV5.1时的刀具寿命(硬度>47 HRC ) 。 Harris等分别对Co-HSS刀具在灰铸铁钻削试验中使用单层TiN, CrN涂层、TiN/TiA1N 和CrN/TiA1N双层涂层时的切削性能进行评估。研究发现,双层涂层CrN/TiA1N钻头寿 命优于单层涂层,与TiN/TiA1N双涂层钻头相比刀具寿命提高了20%。这一结果是特别 有趣,因为Daimler一Benz试验表明,TiN/TiA1N比CrN/TiA1N的附着力低得多,因此他们特别强调研究临界涂层的重要性,因为它的存在可能影响刀具的切削性能。Devillez等在极端的温度和力学条件干切削Incone1718高温合金,指出涂层技术是获得足够的刀具寿命和工件表面完整性的必要条件,通过正交切削试验观察刀具磨损,评价几种涂层对硬质合金刀具切削性能影响。结果表明,TiA1N涂层是最好的涂层材料,其良好的摩擦学行为限制了粘结磨损和不稳定的边缘破损,由于其超细结晶度,磨粒磨损的程度也减小了。Xing Y等研究干切削条件下使用纹理自润滑刀具和常规刀具的切削性能,他们在A1203/T1C陶瓷刀具表面分别制备纳米级和微米级二硫化铝CMoS2)固体润滑剂纹理。结果表明,磨损纳米级和微米级纹理的自润滑刀具与传统刀具相比,切削力、切削温度、刀具的摩擦系数明显减小,波浪形纹理的在改善切削性能方面是最有效的,它降低了工件己加工的表面粗糙度,减小了切削过程中的振动,工件的表面质量更均匀。因此,纳米尺度和微尺度的自润滑刀具有效地提高了A1203陶瓷刀具的切削性能,它们适用于稳定的干切削淬硬钢。

  1.3 微量润滑技术

  MQL技术属于一种满足绿色环保要求的半干式切削加工技术。MQL是将一定压力的混合微量润滑剂颗粒,以油雾的形式通过高压输送到至加工区域,使切削加工区域得到润滑。在微量润滑和低温空气双重作用下,刀具可以很好的保持自身原有的硬度,积屑瘤的产生也得到了一定抑制。此技术改善了刀具与切屑、刀具与加工表面的摩擦状态,进而减小切削力、降低切削温度、增加刀具的使用寿命、提升断屑性能,在此基础上,MQL技术节约资源、保护环境、增加了资源利用率,最终达到提高加工效率与加工表面质量的目的。

  1.4本文主要研究内容

  在切削加工7055铝合金时,切削力大和切削温度高是两个关键性难题,这两个问题的解决不仅可以完善工艺参数,同时还能在研究刀具磨损以及表面质量时提供非常重要的参考。本研究在干式和微量润滑两种条件下,研究MQL技术在高速切削超高强度7055铝合金加工中的降温减摩效果;建立微量润滑条件下高速切削超高强度7055铝合金切削力、切削温度相对于切削参数的预测模型;构建其加工过程中的动态仿真模型;结合数值模拟与试验研究系统研究该超高强7055铝合金高速切削时力与温度变化规律。本文研究内容如下:

  (1)通过有限元分析软件,准确构建7055铝合金高速切削加工过程动态物理仿真模型,通过对刀具应力场和温度场的三维数值模拟计算,获得了微量润滑条件下高速切削7055铝合金刀具的应力场和温度场分布。在数值模拟和试验研究的基础上系统研究微量润滑高速切削7055铝合金的切削力、切削温度的变化规律。

  (2)构建低温微量润滑高速切削7055铝合金的试验平台,采用不同的切削参数进行微量润滑高速切削7055铝合金单因素试验研究,研究单一因素对切削力和切削温度的影响规律。

  (3)利用遗传算法以最小切削力、最低切削温度及为最大金属去除率为目标函数,以切削速度、每齿进给量、轴向切深及径向切宽等为约束条件组成多目标模型,对切削参数进行优化,为实际生产加工提供参考。

  2 微量润滑高速切削7055铝合金仿真分析

  2.1有限元仿真模型建立

  在仿真前首先建立Third Wave Systems AdvantEdge切削仿真模型,选择3D切削,相比于2D仿真,3D仿真模式可以更好的反映出刀具应力分布和切削区域的温度分布以及切屑形成过程的情况。确定加工类型为面铣,为提高仿真效率,在保证仿真顺利运行的前提下可以按一定比例缩小工件尺寸。

  工件与刀具的网格划分分别由粗化系数和细化系数决定,前者为单元变形后的粗化程度,即网格快速粗化至其最大尺寸的速度;后者即网格迅速细化至其最小尺寸的速度。Third Wave Systems AdvantEdge根据仿真参数和条件的设定对仿真对象进行网格划分,工件和刀具的网格划分。

  根据试验环境设置润滑条件,低温的油液可以降低切削温度,但温度过低可能会是引起油液冷凝,仿真温度设为-35℃,微量润滑油雾流量为265m1/h。针对不同的切削参数建立低温微量润滑高速铣削的仿真模型,通过仿真过程研究切削力和切削温度的分布,根据仿真结果研究各参数对力和温度的影响规律。

  2.2切削应力分布结果分析

  图2-3为v=150m/min,fz=0.06mm/z, aP=0.6mm, ae=5mm的仿真应力分布及结果图。从图(a)切削应力整体分布可以看出切削应力主要分布在切削的第一变形区域,最大应力集中在刀具、工件和切屑三者的交汇处。图(b)为刀具应力分布,刀尖处应力最大约为1000MPa。图(c)反应的是工件上的应力分布情况,可见其与刀尖接触的区域应力最大,与图(b)结果一致。随着切削进行,应力在切削区域至即将切削的区域呈阶梯变化,从最大值1000Mpa到600Mpa递减。切屑的应力变化如图(c)所示,即将脱离工件的区域应力最大,沿切削区域近端向远端逐渐减小。

  (a)切削整体的应力分布 (b)刀具的应力分布

  (c)工件的应力分布 (d)切屑的应力分布

  切削力随时间的变化趋势,图(a)反映了每一时刻切削力的变化数值,从图中可以得出主切削力Fy最大值约为400N,如图(b)所示的径向切削力Fx随时间由正到负进行变化,最大值约为300N。轴向切削力Fz较小且在整个切削过程中保持平稳。图(b)是在图(a)的基础上进行拟合得出的,主要反映了各个方向上力的变化趋势。主切削力Fy随刀具切入工件逐渐增大,达到最大值后保持稳定;径向切削力Fx在刀具切入工件后逐渐达到最大值,然后由正到负进行变化,其绝对值先减小后增大;轴向切削力凡在整个切削过程中基本不变。

  (a)切削力随时问的变化

  (b)切削力随时问的变化拟合

  图2-4切削力变化趋势

  2.3切削温度分布结果分析

  切削温度分布云图,从(a)温度的整体分布图中可以看出温度主要分布在切削第一、第二变形区域,而切屑带走了很大一部分的切削热。图(b)反应了刀具温度分布情况,温度集中在刀尖及切削刃处,最大值为300℃。图(c)是工件温度的分布情况,与刀具接触区域温度最高,与图(b)对应,递减至第二变形区域,即与刀具后刀面的接触区,温度约为250℃ 。 (d)为切屑的温度分布情况,从切削区域向外延伸温度逐渐降低。可以看出切屑的温度较高,平均在280℃上下,因为在切削加工时切屑会带走大量的切削热,在散热方面起到了重要的作用。

  (a)切削整体的温度分布 (b)刀具的温度分布

  (c)工件的温度分布 (d)切屑的温度分布

  (a)为温度随时间的数值变化图像,在切削达到稳定时温度在一定范围内上下波动,但整体呈稳定状态,最高温度可以达到约450℃。图(b)为拟合后的温度随时间变化图像,可以看出刀片切入工件时温度急剧升高,在切削平稳后温度达到稳定。

  (a)切削温度随时间变化 (b)切削温度随时间变化拟合

  3 不同参数下切削力与切削温度的仿真分析

  3.1加工环境对切削力与切削温度的影响

  (a), (b)分别为干式和微量润滑两种切削环境下采用相同的切削参数时切削力与切削温度的变化情况。通过图(a)得出微量润滑环境下的切削力平均值明显小于干式切削,从时间上可知微量润滑环境下刀片刚刚切入工件时波动幅度较大,而后随切削进行趋于平稳。干式切削时径向力切削力变化趋势明显,而后者趋势较为缓和,在一定范围内波动且基本稳定。通过图(b)二者的温度变化可以看出微量润滑环境下切削温度较低,干式切削时温度变化剧烈,其瞬间的温度变化明显高于微量润滑切削时的温度变化。

  干式环境下切削力 微量润滑环境下切削力

  (a)切削力对比

  干式环境下切削温度 微量润滑环境下切削温度

  (b)切削温度对比

  3.2切削速度对切削力与切削温度的影响

  不同切削速度v下切削力与切削温度的仿真结果。随着v逐渐增大主切削力Fy减小,径向切削力Fx和轴向切削力Fz减小趋势与主切削力相同,合力F主要受Fy的影响随v增大而减小。切削温度T由350℃逐渐升高至约500℃。

  3.3进给量对切削力与切削温度的影响

  切削力、切削温度与每齿进给量关的仿真结果。随着关的增大灼呈上升趋势且趋势较缓,Fx与Fz趋势与主切削力相同,大小小于主切削力,合力F由100N增长至约150N。温度由350℃近似线性增长至约400℃。

  3.4轴向切深对切削力与切削温度的影响

  4 微量润滑高速切削7055铝合金的参数优化

  4.1切削参数对模型的影响

  结合前两章对微量润滑高速切削的仿真可以看出切削速度v对加工试验结果的影响,v增加切削力减小,但切削温度会上升,功率的消耗也随之增大,因此切削速度将作为一个重要变量。在刀盘确定的情况下,切削速度与主轴转速的关系为:

  式中:d为刀盘直径(mm), n为主轴转速(r/min)。

  每齿进给量关反映的是加工时的进给速度vf,fz越大,刀片的切削厚度也越大,切削力与切削温度都会升高,每齿进给量是进给速度、主轴转速和切削时的刀盘齿数共同决定的,其关系为:式中:z为刀盘齿数。

  轴向切深反应的是铣削深度,轴向切深增大,切削面积增大做功增加,切削力和切削温度同时增大,但切削速度的增大可以增加切屑宽度,使切屑可以带走更多加工中产生的热量。径向切宽的增加对力和温度的影响比较微弱,其大小在某个固定区间保持稳定,但随着各个切削参数的改变还是会有变化。在对微量润滑高速铣削的关键参数进行分析后,我们将这四个切削参数应用于参数优化模型中去,分别是切削速度、每齿进给量、轴向切深、径向切宽。

  4.2多元优化模型的建立

  在实际的生产和加工过程中往往是在满足多方面的优化目标前提下得到最合适的变量,从而达到更加高效和协调的目标,这就是多目标优化。在此次切削参数优化过程中分别有金属去除量Q、切削力F和切削温度T三个目标函数,其表达式分别为公式4-3, 4-4, 4-5所示,模型的初衷是金属去除率达到最大的同时切削力和切削温度最小。

  在处理多元优化模型问题时,为了更接近实际生产情况和方便求解一般对各个目标函数按照一定比例线性加权组合的方法进行处理。

  线性加权后根据各目标函数在目标优化中所占有的权重对其施加加权因子,采用组合系数法使得各个加权因子之和为1的方法将各个目标统一起来,公式4-7为最终获得的目标函数。

  4.3参数优化模型的约束条件

  在建立模型的过程中,由于是在试验的基础上建立的,所以在选择切削参数时要对其进行约束和限制以求达到与试验相辅相成的目的,这就是优化模型中约束条件的设定。约束条件在模型中以目标函数可行域的形式存在,代表了其中变量的变动范围。在实际的铣削加工时针对不同的问题约束的条件选择也是不同的,根据不同的工艺参数和加工要求来制定最符合实际情况的约束条件,本优化模型建立的约束条件如下:

  4.4参数优化及结果验证

  根据公式4-7及其约束条件,通过遗传算法对微量润滑高速铣削的优化问题进行的求解。利用MATLAB对算法进行编码,在编码中对其进行选择、交叉和变异来达到寻优参数的目标。主要编码如下:

  从中可以看出前两代为最优结果,之后适应度成下降趋势,第20以后基本保持不变,根据结果最佳参数为:切削速度v=295.5m/min,每齿进给量。根据达到的优化参数进行试验得到以下结果,如表5-1。对比前面得到的试验结果可知此参数是合理可行的,实际加工中可以按照经验和工艺要求合理选择优化的切削参数进行切削加工。

  5 总结

  微量润滑切削技术是一种新型的绿色切削技术,在切削加工难加工材料时体现出了独特的优势。研究中所用的7055铝合金是一种超高强度材料,采用传统加工方法时会出现切削力大、切削区域温度过高、刀具寿命极大缩短、生产效率低、资源消耗大等问题。本文针对这些难题首先对微量润滑高速切削7055铝合金进行模拟仿真,再应用MQL技术进行高速切削7055铝合金的单因素及正交试验,分析了切削力和切削温度关于各个切削参数的变化规律而后建立两者的经验模型,最后以最小切削力、切削温度和最大金属去除率为目标函数建立参数优化模型。运用有限元仿真软件并建立微量润滑高速切削7055铝合金的有限元仿真模型,通过模型对不同参数下切削过程中力和切削温度的分布及其变化进行模拟仿真,得到如下结论:

  1、微量润滑高速切削中切削力与切削温度主要分布在第一变形区,其最大值在集中在刀尖与工件的接触区域,切削达到稳定后的主切削力、轴向切削力和切削温度在某一范围内波动,径向切削力变化趋势随着切削时间增加先减小后增大。

  2、仿真中的切削力随切削速度增大而减小,随每齿进给量、轴向切深和切宽的增大而增大。

  3、仿真中的切削温度受切削速度的影响最为明显,随其增加而增大,每齿进给量和轴向切深次之,在径向切宽的变化过程中有略微升高。

  4、合理选择切削参数有利于降低生产成本和提高加工效率,用遗传算法对切削参数进行优化,以切削力F、切削温度T最小和金属去除量Q最大为目标函数,以切削速度、每齿进给量、轴向切深、及径向切宽为约束条件建立多目标优化模型,最终得到最优解。根据优化结果进行试验验证以证明切削参数的合理性,实际加工中可以按照经验和工艺要求合理选择优化的切削参数进行切削加工。

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