孫嘉繼，孔嘯，袁俊凇，李銘

(1.上海交通大學(xué) 模具CAD國家工程研究中心，上海 200030;2.上海申模模具制造有限公司，上海 200012)

0 引言

匹配主模型檢具(Cubing)是用鋁合金根據(jù)三維數(shù)模以1:1的比例通過機械加工而成的汽車仿制模型，如圖1。它能夠檢測汽車內(nèi)外飾的尺寸及裝配效果、零配件的制造精度及裝配精度，還可以校正原始設(shè)計的缺陷和不足等。［1］本文研究的薄壁零件為汽車匹配主模型檢具汽車引擎蓋模塊，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，針對汽車引擎蓋模塊中難加工的與車身配合的那一段進行研究(圖2中紅線標出)，由于其結(jié)構(gòu)剛性較差，壁厚最小處不足1mm，在加工過程中易產(chǎn)生振動，難以保證表面精度要求，而導(dǎo)致整個汽車引擎蓋模塊報廢［2］。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、計算技術(shù)的提高，利用有限元進行振動狀態(tài)的預(yù)測越來越成為銑削參數(shù)優(yōu)化的有力手段。山東大學(xué)的唐委校博士［2］對高速切削過程的振動問題和穩(wěn)定性理論進行了詳細研究與探索，考慮在高速切削中不同切削條件和切削過程的振動對切削力的影響，建立高速切削過程的動態(tài)切削力模型。北京航空航天大學(xué)的李忠群等［3］對立銑刀加工動力學(xué)建模與仿真進行了拓展研究，詳細介紹了立銑刀加工振動穩(wěn)定域解析算法。北京航空航天大學(xué)的吳瓊等［4］基于銑削力的數(shù)學(xué)模型，利用有限元動力學(xué)分析技術(shù)與銑削振動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，得到薄壁件振幅響應(yīng)公式和曲線，并對其進行擴展應(yīng)用于復(fù)雜的航空薄壁件，實現(xiàn)航空薄壁銑削參數(shù)的優(yōu)化。Mane［5］通過有限元方法分析了高速加工柔性零件時的銑削穩(wěn)定性條件，并通過控制主軸轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)穩(wěn)定切削。

參考目前大多數(shù)學(xué)者所使用的有限元分析方案，本文通過銑削力實驗提供準確的力邊界條件，基于HyperWorks有限元軟件對其在加工過程中加工振幅做出預(yù)測，通過試驗工件驗證分析的準確性，最后分析引擎蓋的加工振幅，用于實際加工指導(dǎo)。

1 試驗工件的有限元模擬

1.1 網(wǎng)格劃分

由于銑削精加工時余量較小，可忽略加工后表面的壁厚差以及工件剛度的影響，直接使用工件加工后的幾何尺寸建立模型，這樣可以進一步降低工件的剛性，實際考慮應(yīng)該是偏安全的。課題組研究表明銑削加工有限元模型可采用四面體單元，但必須是十節(jié)點四面體單元，其模擬結(jié)果與六面體單元非常接近。而且文章后面對引擎蓋模塊進行有限元網(wǎng)格劃分時，很難將其劃分為六面體網(wǎng)格模型。因此本文采用十結(jié)點四面體單元對試驗工件和引擎蓋模塊劃分網(wǎng)格。

1.2 定義材料屬性

兩個零件使用的材料都是6061-T651特種鋁合金，彈性模量為69GPa，泊松比為0.3，密度為2.7g/cm3。有限元模擬僅針對彈性變形。因此材料定義需要的參數(shù)有彈性模量，泊松比及密度，對于斷裂等相關(guān)參數(shù)不予設(shè)定。

1.3 施加邊界條件

試驗工件是通過螺栓鎖緊在加工中心工作臺上，因此假設(shè)工件底面螺栓周圍節(jié)點固定，即對有限元模型螺栓周圍部分節(jié)點施加六個自由度位移約束條件。

力邊界條件主要為加工時的銑削力，基于銑削力實驗確定銑削力各個分力的數(shù)值，銑削力實驗測得三個方向銑削力分力的數(shù)值Fx、Fy、Fz，X軸方向(平行于試驗工件的寬邊)、Y軸(平行于進給方向，即試驗工件的長度方向)和Z軸方向(垂直于工作平面，即工件的高度方向)的銑削力。本文選取生產(chǎn)中的常用銑削參數(shù)組合，轉(zhuǎn)速為10000rpm，進給量為0.15mm/z，銑削深度為0.3mm，球頭銑刀半徑為5mm，測得對應(yīng)的銑削力分力 Fx、Fy、Fz由于試驗工件和引擎蓋模塊在X軸和Y軸方向的剛度遠比Z軸方向高。所以本章中不考慮X軸和Y軸向力對工件的影響，只分析Z向力對工件變形和加工振幅的影響，Z向力如圖3所示。

圖3 試驗工件及引擎蓋模塊的力邊界條件

瞬態(tài)動載沿Z軸負方向施加于試驗工件懸臂中間點。載荷的作用過程為1.5s，分為300個增量步(即步長時間為0.005s)。模態(tài)阻尼定義為所有模態(tài)的2%。最終，試驗工件的有限元模型及實物如圖4。

1.4 有限元分析及結(jié)果

圖4 試驗工件實物圖及有限元模型

針對求解問題選擇有限元分析軟件中Radioss模塊進行Direct Transient Dynamic Analysis計算。圖5為所選加載點在動載下，該點的變形和加工振幅大小。計算結(jié)果顯示，加工過程中，工件在銑削力作用下產(chǎn)生了彈性變形，為0.056133mm，而在加工中，工件的振幅為最大變形與最小變形的差，振幅為0.046mm。

圖5 加工過程中工件最大變形變化和加工振幅

2 試驗驗證

測試系統(tǒng)由DMU-70V高速加工中心、WT型電渦流位移(振動)傳感器、CRA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相關(guān)輔助設(shè)備組成，如圖6所示。試驗工件通過壓板和螺栓固定在機床工作臺上。試驗工件的振動以及加工過程中的實時彈性變形通過非接觸式電渦流位移傳感器測量得到。

圖6 銑削加工振幅測量系統(tǒng)

從圖6中可以看出銑削過程中試驗工件發(fā)生了明顯變形在加工過后，薄壁工件發(fā)生了較大的加工變形，測量點處加工振幅約為0.045mm。試驗工件的有限元模擬值與試驗值和加工振幅最大值的大小上都比較相似，有限元模擬得到檢測點最大變形量為0.046mm，相差僅為2.2%。所以通過銑削過程的有限元模擬，可以較為有效地預(yù)測加工過程的工件變形。

通過該方法可以快速的預(yù)測工件在加工中的振幅，減少試切時間和提高加工精度。本章選取的銑削用量為:αp=0.30mm，R=5mm，n=10000r/min，f=0.15mm/z。在實際加工不會出現(xiàn)太大的過切或者是太差的表面粗糙度。

3 引擎蓋模塊加工振幅有限元模擬

主模型引擎蓋位移邊界條件是對銑削加工實際過程中裝夾情況的模擬。對于彈性工件來說，夾具和工作臺可假設(shè)為剛性。引擎蓋在精加工時，利用反面六個有裝配螺孔的凸臺將其鎖緊在工作臺上，因此對凸臺上螺孔區(qū)域節(jié)點施加六個自由度約束。實際生產(chǎn)中，為了減小薄壁部分的加工變形量，常常在易變形區(qū)域密集放置輔助支承，即限制對應(yīng)區(qū)域節(jié)點z向自由度。將試驗測定的動態(tài)銑削力(如圖3)施加在引擎蓋模塊的難加工點。引擎蓋有限元模型及實物如圖8。

經(jīng)過Radioss的計算，得到該點的最大振幅為0.051mm，符合實際加工要求。通過對加工振幅的模擬，可以預(yù)測銑削參數(shù)的選擇是否能夠安全生產(chǎn)，是否滿足表面加工精度的要求。

4 結(jié)束語

本文所建立的匹配主模型汽車引擎蓋模塊和薄壁件有限元模型，通過研究表明，在工程中可以較好的模擬銑削加工振幅的大小，在實際應(yīng)用中具有一定的意義。

主要獲得以下結(jié)論:

(1)通過HyperWorks的Radioss模塊可以有效的模擬薄壁件銑削加工振幅

(2)試驗工件加工振幅的模擬值與實驗值對比，誤差小于3%。

(3)對引擎蓋模塊進行有限元模擬，能改進傳統(tǒng)加工中依賴經(jīng)驗、定性和保守的工藝方案，實際加工時采用理論與經(jīng)驗相結(jié)合的優(yōu)化工藝方案，能有效減少加工試切次數(shù)，提高加工效率，大大減少工藝質(zhì)量成本。

［1］庚以灤.通用量具及檢具［M］.北京:中國計量出版社，1998.

［2］唐委校.高速切削穩(wěn)定性及其動態(tài)優(yōu)化研究［D］.濟南:山東大學(xué)，2005.

［3］李忠群.復(fù)雜切削條件高速銑削加工動力學(xué)建模、仿真與切削參數(shù)優(yōu)化研究［D］.北京:北京航空航天大學(xué)，2008.

［4］吳瓊，張以都，張洪偉，等.航空薄壁件銑削加工動態(tài)特性與實驗分析［J］.兵工學(xué)報，2008，29(9):1118－1122.

［5］I.Mane，V.Gagnol，B.C.Bouzgarrou，etal.Stability-based spindle speed control during flexible workpiece high-speed milling ［J］. International Journal of Machine Tools＆Manufacture 2008，48:184 －194.

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