趙夫超 雷小寶 劉 暢 鮑滿(mǎn)腔

(1安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系；2安慶市鼎潤(rùn)智能裝備制造有限公司 安徽安慶 246005；3安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 安徽合肥 230601)

薄壁支架零件由于質(zhì)量輕，具備特殊的材料性能等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航空航天工業(yè)中。很多薄壁支架零件采用的材料多為鋁合金、鈦合金等材料，薄壁支架零件的外部輪廓尺寸與截面尺寸相比偏大，加工余量大，會(huì)使得它的剛性差，在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)，從而影響零件的加工精度與表面質(zhì)量。薄壁支架零件在加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生加工變形，這已然成為機(jī)械加工中的一大難題，因此開(kāi)展薄壁支架零件的三維建模，加工變形仿真分析具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)薄壁件加工變形方向有不少研究，同時(shí)也取得了一定成績(jī)。如Wun Ling，Lai Zone Ching Lin 等通過(guò)模擬正交切削實(shí)驗(yàn)[1]，得出一些很重要的規(guī)律，零件的變形大小取決于應(yīng)力分布狀況，零件的應(yīng)力分布狀況又受到刀具參數(shù)的影響，即選擇不同參數(shù)的刀具會(huì)導(dǎo)致零件的變形程度不同。另外，針對(duì)具體的薄壁支架零件的加工，S.Smith等人研究了零件整體剛性對(duì)切削加工質(zhì)量的影響，研究結(jié)果表明采用提高剛性的措施可達(dá)到有效減輕薄壁支架類(lèi)零件的加工變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率[2]；國(guó)內(nèi)南航的王志剛等詳細(xì)研究了薄壁零件的加工變形過(guò)程，他假設(shè)材料在加工過(guò)程中一直處于彈性范圍，主要考慮了切削力作用下對(duì)薄壁零件產(chǎn)生的彈性變形，但是沒(méi)有考慮到其他因素對(duì)變形的影響[3]；而北航的Wang Zhao jun等利用有限元軟件模擬了材料去除對(duì)薄壁零件加工變形的影響，但是他在分析過(guò)程中忽略了切削力的作用[4]；浙大的黃志剛等對(duì)引起變形的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，他們建立了金屬正交切削加工的切削力與切削熱相互影響的模型，對(duì)加工變形的原理進(jìn)行了廣泛深入的研究[5]。

文章在對(duì)薄壁支架零件的三維建模與結(jié)構(gòu)功能分析的基礎(chǔ)上，采用模擬切削仿真方法，分析了引起薄壁支架零件加工變形的因素，對(duì)導(dǎo)致加工變形的主要切削力影響因素進(jìn)行了具體分析。

1 薄壁支架零件的三維建模

基于Solidworks軟件，建立薄壁支架零件的三維模型，由圖1可見(jiàn)，該薄壁支架零件安裝被支撐件處壁厚較薄，此處剛性較差，在加工過(guò)程中受到各種因素的耦合作用容易產(chǎn)生變形。

圖1 薄壁支架三維模型

2 薄壁支架切削加工切削力分析

薄壁支架零件加工過(guò)程復(fù)雜，一般在數(shù)控銑床上完成加工。由文獻(xiàn)可知航空鋁合金7075-T745在立銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí)的銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚6]，見(jiàn)公式1。

(1)

式(1)中，F(xiàn)x、Fy和Fz分別為銑削力在x、y和z三個(gè)方向上的分力，ap為銑削深度，ae為銑削寬度，v為銑削速度，f為進(jìn)給量。在加工過(guò)程中以Z端面為研究對(duì)象，在銑削時(shí)使用整體硬質(zhì)合金直柄立銑刀，分粗銑，精銑兩個(gè)過(guò)程。

文章切削仿真先選取Z端面的凹槽進(jìn)行切削力有限元分析，在上面的計(jì)算過(guò)程中優(yōu)先選取以下切削用量：v=1600m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm，ae=0.8mm來(lái)計(jì)算切削力。

3 薄壁支架切削加工變形有限元仿真

3.1 加工變形有限元仿真

(1)利用三維軟件Solidworks建立薄壁支架零件的幾何模型。文章所研究的薄壁支架零件的尺寸為86mm×86mm×70mm。

(2)添加材料庫(kù)與模型的材料屬性。選用鋁合金7075-T745，設(shè)置彈性模量E=113Gpa，泊松比u=0.33。

(3)添加邊界條件。所加工的鋁合金薄壁支架零件Z面添加約束，上部及兩端處于自由狀態(tài)。首先只考慮銑刀在某個(gè)位置時(shí)的情況，此時(shí)切削力處于銑削槽面上，力的大小可借助于上述創(chuàng)建的切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，在有限元分析模型的區(qū)域上施加載荷[7]，僅僅研究與加載垂直方向加工表面上的力Fz。

f0.0022=38.1N，此時(shí)最大的總變形為2.7167e-6，如圖2所示。

圖2 Fz=38.1N時(shí)Total Deformation

3.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)采取有限元辦法對(duì)鋁合金薄壁件加工變形的模擬分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)用Ansys對(duì)鋁合金薄壁支架零件加工變形進(jìn)行仿真分析，其分析結(jié)果與實(shí)際加工情況具有較高的擬合度，預(yù)測(cè)結(jié)果可有效用于薄壁支架類(lèi)零件加工前的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)沿薄壁支架零件的高度方向，高度不斷增大，欠切量隨之增大；在刀具進(jìn)給方向，薄壁支架零件的最終切削厚度也呈現(xiàn)出較大的加工誤差，這些是由零件不同位置的剛度存在較大差異所導(dǎo)致的。薄壁零件加工時(shí)讓刀變形與切削點(diǎn)的剛度具有較大關(guān)系，切削點(diǎn)的剛度越小，該處的欠切量就會(huì)越大。所以，如何有效提高切削點(diǎn)的剛度是工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的重要研究?jī)?nèi)容[8]。同時(shí)可以據(jù)此來(lái)優(yōu)化數(shù)控銑削工藝，根據(jù)有限元分析的欠切量適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行刀具補(bǔ)償，可以有效地減小薄壁件加工過(guò)程中的變形。

(3)切削三要素進(jìn)給量、背吃刀量和切削速度的減小都有利于切削力的減小，其中背吃刀量影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度最小。但是本零件為薄壁支架零件，切削溫度會(huì)造成熱變形，很大程度影響切削加工質(zhì)量，切削熱受切削速度影響最大，進(jìn)給量次之，背吃刀量最小。所以切削時(shí)的切削用量選取要重點(diǎn)控制進(jìn)給量，且在整個(gè)切削過(guò)程中持續(xù)冷卻液冷卻。

4 基于有限元仿真的切削加工變形規(guī)律預(yù)測(cè)

4.1 一般模型的建立與有限元仿真

上述內(nèi)容對(duì)加工該薄壁零件Z面時(shí)的切削加工變形進(jìn)行了有限元仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果也進(jìn)行了分析?，F(xiàn)在為了得到一般性的切削加工變形規(guī)律，需將對(duì)上面的切削加工過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，再建立一般的模型，然后對(duì)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行有限元分析，最后依據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律預(yù)測(cè)。

(1)首先將加工對(duì)象簡(jiǎn)化成扇形薄板件，如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化的扇形薄板模型

(2)通過(guò)前面的計(jì)算取Fz=47.7N，按照?qǐng)D4所示的節(jié)點(diǎn)逐點(diǎn)施加Fz，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的總變形云圖，其中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的處理結(jié)果如圖5所示。

圖4 切削力施加節(jié)點(diǎn)示意圖

圖5 某一節(jié)點(diǎn)處總變形云圖

(3)按照前面的處理過(guò)程，在圖4所示的節(jié)點(diǎn)處依次施加力，得到如5所示的總變形云圖，記錄數(shù)據(jù)，按照節(jié)點(diǎn)位置徑向大小對(duì)數(shù)據(jù)(取三組數(shù)據(jù)為例)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，可以做出R相等時(shí)各節(jié)點(diǎn)的總變形曲線(xiàn)，如圖6～圖8所示。

圖6 R=30mm的節(jié)點(diǎn)總變形曲線(xiàn)

圖7 R=24mm的節(jié)點(diǎn)總變形曲線(xiàn)

圖8 R=18mm的節(jié)點(diǎn)總變形曲線(xiàn)

4.2 切削加工變形規(guī)律預(yù)測(cè)

對(duì)圖6～圖8中曲線(xiàn)用最小二乘法擬合可以得到其近似曲線(xiàn)，通過(guò)各R2的大小可以發(fā)現(xiàn)擬合結(jié)果較好?？梢钥闯觯赗相同時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的總變形量滿(mǎn)足四次多項(xiàng)式：y=ax4+bx3+cx2+dx+e。對(duì)于扇形模型來(lái)說(shuō)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均用極坐標(biāo)：(R,θ)唯一確定，這樣總變形量就可以表示成θ的函數(shù)，即D(θ)=aθ4+bθ3+cθ2+dθ+e(其中a，b，c，d，e與R有關(guān)且由R唯一確定)。

為了得到徑向的變形規(guī)律，現(xiàn)將各個(gè)R相等時(shí)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的總變形求平均值，可以得到圖9所示R變化時(shí)節(jié)點(diǎn)處總變形曲線(xiàn)，同樣采用最小二次法對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，可以得到一個(gè)四次多項(xiàng)式函數(shù)，將其用極坐標(biāo)表示即：D(R)=aR4+bR3+cR2+dR+e(其中a，b，c，d，e均與θ有關(guān)且由θ唯一確定)。

圖9 R變化時(shí)節(jié)點(diǎn)處總變形曲線(xiàn)

綜上可知，對(duì)于這樣的扇形模型，在周向或徑向，可以用極坐標(biāo)(R,θ)通過(guò)四次多項(xiàng)式來(lái)表示總變形量的大小。通過(guò)建立一般模型，分析有限元仿真結(jié)果及建立數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測(cè)切削加工總變形量規(guī)律。

5 小結(jié)

針對(duì)薄壁支架零件加工質(zhì)量難以控制的問(wèn)題，在分析了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法，對(duì)某三軸飛輪集成支撐架進(jìn)行了三維建模及加工變形分析，得出結(jié)論如下：

(1)分析引起薄壁支架零件加工變形的因素，對(duì)導(dǎo)致加工變形的主要因素切削力進(jìn)行了分析；

(2)簡(jiǎn)化了薄壁支架有限元模型，對(duì)所加工面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，仿真分析加工過(guò)程中每一節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)變形狀態(tài)，建立各節(jié)點(diǎn)變形數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了加工變形規(guī)律。