航空航天难加工材料切削加工过程模拟与智能控制综述_赵彪.pdf

14航空制造技术2023年第66卷第3期专 稿FEATUREFEATURE专 稿*基金项目：国家自然科学基金（92160301、52175415、52205475）；航空发动机及燃气轮机基础科学中心重大项目（P2022AIV002001）；江苏省自然科学基金（BK20210295）；机械传动国家重点实验室开放基金（重庆大学）（SKLMTMSKFKT202101）。引文格式：赵彪,王欣,陈涛,等.航空航天难加工材料切削加工过程模拟与智能控制综述J.航空制造技术,2023,66(3):1429.ZHAO Biao,WANG Xin,CHEN Tao,et al.A review on cutting process simulation and intelligent control of difficult-to-cut materials in aerospace industryJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(3):1429.航空航天难加工材料切削加工过程模拟与智能控制综述*赵 彪1，王 欣1，陈 涛1，丁文锋1，傅玉灿1，徐九华1，赵正彩1，陈清良2（1.南京航空航天大学，南京 210016；2.航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092）摘要 随着航空航天关键构件服役性能要求的不断提升，高性能钛合金、镍基高温合金、高强度钢等难加工材料大量应用到航空发动机等重大装备。切削加工是高强韧难加工材料的重要加工方法，在加工过程中普遍存在切削力大、切削温度高、工具磨损严重和加工质量差的问题。针对当前航空航天难加工材料切削加工过程切削力、切削温度、工具磨损及表面质量的仿真技术与智能控制技术进行了系统性的总结和梳理，分析了当前研究存在的主要问题与关键挑战，对切削加工过程仿真模拟与控制技术的未来发展趋势进行了展望。关键词：有限元仿真；智能控制；切削力；切削温度；刀具磨损；表面完整性DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.03.014赵 彪 助理教授，博士，研究方向为高效精密加工技术。题，也是实现难加工材料高品质、高效率和低成本加工的前提条件12。随着计算机技术的快速发展，智能控制技术在切削加工中的应用也愈加广泛。有限元仿真技术功能强大，可利用数学近似的方法对真实切削过程进行模拟，实现加工过程量（如切削力、切削温度、刀具磨损和表面完整性）的预测，在提高材料加工质量、加工效率和降低工业成本等方面的应用有着广阔的前景34。切削加工过程的智能控制主要包括刀具、工件以及机床的状态监测，信息采集与分析，采用算法和智能技术对加工状态进行判断，通过控制模块对加工参数等进行实时调整以及采取增加刀具刚度进行夹具位置补随着航空航天领域高端装备及关键构件对功重比、可靠性、使用寿命等方面的要求不断提升，对相关高性能难加工材料，如钛合金、镍基高温合金、高强度钢等的加工质量、效率和成本等也提出了更高的要求。这些材料的加工过程普遍存在颤振、刀具崩刃、加工表面烧伤、加工质量不稳定以及效率低等一系列问题，给加工制造带来了极大挑战。切削加工是航空航天难加工材料及关键构件加工制造的主要方法，其技术水平对零件制造质量有重要影响。切削力、切削温度、刀具寿命、加工表面质量是切削加工研究的主要对象，如何准确预测与控制这些加工过程量一直是切削加工领域的重点和难点问152023年第66卷第3期航空制造技术专 稿FEATUREFEATURE专 稿偿等内容58。近年来，国内外学者对航空航天难加工材料切削加工过程开展了大量的有限元仿真及智能控制研究，围绕材料切削过程中切削力、切削温度、刀具磨损以及加工表面完整性进行了预测和控制，如图 1 所示919。切削力主要受工件材料、加工参数、刀具种类及几何结构参数等的影响，是影响加工过程的主要因素之一。切削温度也是加工过程的一个重要过程量，为了降低切削区域的温度，不同隔热涂层的刀具以及冷却方法应运而生。在刀具磨损方面，开发了多种刀具预测模型以对刀具磨损进行预测和控制。同时，为了提高加工表面完整性，围绕表面粗糙度、白层、显微组织、残余应力等开展了大量研究，针对不同工况提出了一些预测方法。对于切削加工过程智能控制，各过程参量的监测是对切削过程进行有效调控的基础，其中涉及传感器技术、刀具状态监测结构设计和信号采集及提取技术，而针对切削力、切削温度、刀具磨损以及加工表面完整性的控制则需要依赖于刀具内部或外置的调控系统以及调控算法。随着大数据、人工智能和互联网的发展，针对切削过程的控制将变得更加准确、稳定和实时。1 切削加工过程模拟切削加工过程模拟常用的方法有数值模拟和物理模拟。数值模拟能反映工艺过程的变化情况，在金属切削加工过程模拟研究中已得到了广泛应用。其中，有限元仿真技术可以直观分析工件加工材料去除过程、刀具磨损过程及加工表面创成过程，获得加工过程的物理量，有利于更加深入地理解加工机理，已成为数值模拟研究中的主流方法20。通过有限元仿真，也可对加工参数进行优化，提高加工稳定性，从而获得更好的加工质量。切削加工有限元仿真流程如图 2 所示21。切削加工仿真的难点在于仿真过程的近似化处理，建立贴近实体的仿真模型以及进行合适的前处理（包括选用合适的本构模型、摩擦模型、网格划分方法等），从而确保仿真结果的可靠性。切削加工物理模拟主要采用模拟件或缩小比例的试验模型来代替对产品原型的加工，能保证模型与产品原型在物理本质上的一致性，相较于产品加工试验周期短、费用低，便于测量检测2223。该方法在工厂实际切削加工中应用较多，但在文献研究方面鲜见，一般在产品原型投入加工前进行加工物理模拟以对前期技术研究进行验证，为产品原型加工提供参考，提高产品加工合格率，节约成本24。仿真精度是进行切削加工过程仿真研究的前提，影响有限元仿真精度的主要因素有材料本构模型、切屑 工件基体分离准则、网格划分方法及摩擦模型等。为提高切削加工过程的仿真精度，在材料特性方面，Johnson 等25提 出 了 JohnCook 本构模型，并在切削加工仿真中得到了广泛应用，由于该模型未考虑应变 应变率 温度场之间的耦合关系，一些学者在后续研究中对其进行了修正，提出了考虑材料流变应力的修正 J C 本构模型、考虑应力 应变 应变率 温度耦合效应的 TANH 修正 J C 本构模型及考虑材料硬度变化的 J C 本构模型2628。此外常用的本构模型还有 ZerilliArmstrong 模型、NematNasser 细观模型和 PowerLaw 模型2931。在分离准则方面，目前应用较多的主要有两种，分别是几何准则和物理准则，根据实际情况选择合适的分离准则有助于提高仿真的准确性。常见的以物理变量作为图 1 切削加工过程模拟与智能控制技术研究Fig.1 Research on cutting process simulation and intelligent control切削力控制13切削力模拟9切削温度控制14-15切削温度模拟10刀具磨损控制16-17刀具磨损模拟11表面完整性模拟12表面完整性控制18-19切削加工过程模拟与智能控制底盘压电制动器钢筋单元刀柄刀具工件进给卡盘16航空制造技术2023年第66卷第3期专 稿FEATUREFEATURE专 稿分离准则的物理准则有：考虑有效应变的 Cockroft Latham 断裂准则、基于断裂能的分离准则及 J C 模型分离准则3234。在网格划分方法方面，目前主要有 4 种方法，即修正拉格朗日算法、欧拉算法、自适应拉格朗日 欧拉算法和欧拉 拉格朗日综合法3538。不同网格划分方法侧重点不同，切削仿真过程可根据需要获取的特征信息选择合适的网格划分方法。在摩擦模型方面，仿真研究主要采用了一个分段函数摩擦模型，当摩擦处于黏结区时摩擦应力为剪应力；当摩擦处于滑动区时，摩擦应力为摩擦系数与法向应力的乘积，满足库仑摩擦定律。基于上述研究，学者们围绕航空航天难加工材料切削过程切削力、切削温度、刀具磨损和表面完整性的仿真开展了一系列研究，积累了诸多研究成果。1.1 切削力模拟切削力是评价材料切削加工性能的一个重要指标，对工件加工表面质量、尺寸精度和刀具使用寿命等有着重要的影响。材料特性、加工参数、刀具涂层、刀具种类及几何结构参数等是影响加工过程切削力的主要因素。如图 3 所示，在刀具对切削力的影响研究方面，Prasad 等9建立了三维车削加工有限元模型（图 3（a），采用硬质合金 TiCN 涂层刀具对钛合金TC4进行了加工仿真研究，并与试验结果进行了对比，两者相符。zel 等39通过仿真计算对比分析了不同硬质合金涂层刀具（WC涂层/TiAlN 涂层/TiAlN+CBN 复合涂层）对车削加工钛合金切削力的影响，由于刀具涂层会增大刀具切削刃半径，该研究中以不同大小的刀具切削刃半径表示不同刀具涂层对切削加工仿真过程的影响，研究结果发现，多层涂层刀具相比无涂层刀具致使切削加工过程切削力增加，而单层涂层刀具作用效果相反。Zhang等40建立了斜切三维有限元模型，如图 3（b）所示，模拟了刀具前角、后角角度对斜切钛合金 TC21 切削力的影响。材料模型选用了考虑热软化效应、应变及应变率的 J C 本构模型，摩擦模型为改进的库仑摩擦模型，可根据切削过程的应力值自动确定摩擦状态，研究结果发现，随着刀具前角的增大，各方向切削力的变化趋势不同；随着刀具后角的增大，各方向上的切削力一致下降。在材料特性与加工参数对切削力的影响研究方面，Ribeiro-Carvalho等41研究了 J C 本构模型、PL 本构模型及 PL 塑性损伤耦合模型 3种不同材料本构模型对钛合金切削加工仿真切削力的影响，并通过试验数据对仿真结果的准确性进行了评价，研究表明，基于上述 3 种材料本构模型得到的仿真切削力与实际切削力误差小，准确性较高。Raznica等42针对 Inconel718 合金切削加工仿真提出了一种新的塑性流动与损伤模型，将 J C 本构模型与 CL 断裂准则结合用于损伤演化，损伤阈值由修正的 CL 断裂准则得来，仿真过程考虑了热边界条件和结构边界条件，如图3（c）所示。Thi-Hoa 等43基于塑性应变的韧性断裂模型对铝合金高速铣削过程进行了有限元仿真研究，分析了不同切削速度、刀具间隙角等对切削力的影响，并通过田口法分析得到了加工的最佳参数。卜居安等44建立了难加工材料 GH4169 高速切削加工仿真模型，如图 3（d）所示，分析了加工参数对切削力的影响，结果发现，切削深度比切削速度对切削力的影响更大。从以上研究建立的仿真模型可以看出，当前车削三维仿真图 2 切削加工有限元仿真流程21Fig.2 Finite element simulation flow of cutting process21建立仿真模型模型前处理工艺参数设置结果后处理刀具工件装配本构方程网格划分分离准则摩擦模型边界条件传热模型切削参数切削加工量云图分析数据分析加工方式决定模型以及装配关系前处理影响计算收敛性工艺参数影响加工质量和效率工艺参数、过程、设备分析与优化172023年第66卷第3期航空制造技术专 稿FEATUREFEATURE专 稿模型居多，三维铣削模型相对较少，部分研究将三维铣削模型简化为二维模型，导致仿真精度降低。一些仿真模型考虑了刀具几何特征、刀具涂层、热边界和几何边界条件等对切削过程的影响，相比以往研究更加贴近切削加工实际条件。1.2 切削温度模拟工件切削加工时，大部分机械能转化为热能，导致切削区域温度急剧上升，加快刀具磨损，严重限制了零件加工效率，影响加工表面质量45。因此，对切削温度进行模拟预测具有重要意义。刀具是影响加工过程切削热的重要因素。Yen 等46建立了不同涂层刀具的有限元模型。单层刀具涂层采用可以定义厚度和热学性能的独立薄层建模，复合涂层采用一层等效涂层来表示。基于上述模型开展了不同涂层对硬质合金刀具加工过程切削温度的影响研究，结果发现 Al2O3涂层对刀具的隔热作用小，但