基于ANSYS車削薄壁焊接筒件內(nèi)環(huán)面變形分析

張吉軍，賈昕宇，劉天祥，李愛傳

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學）

薄壁筒件在現(xiàn)代化制造業(yè)，如石油、石化等領(lǐng)域有著重要的應用。由于薄壁筒件的壁厚與內(nèi)徑曲率半徑之比通常小于1∶20，剛性差，加工精度要求高，加工過程中極易變形[1]。

目前，加工變形已經(jīng)成為制約薄壁零件加工的瓶頸問題[2]，因此，開展關(guān)于薄壁筒件加工變形問題研究具有積極意義。此薄壁筒件厚度在幾十毫米左右，內(nèi)孔直徑達到幾米，由鋼板經(jīng)軋制、卷曲、焊接成筒件。該筒件截面積小，外廓尺寸較大，且立式懸伸加工內(nèi)孔的環(huán)面（如圖1所示），加工中零件剛性下降，因切削力較大，易使零件產(chǎn)生過大變形，影響加工精度。該筒件屬于較大零件，通過試驗研究該工件加工變形比較困難，為減輕試驗研究的難度和工作強度，以有限元仿真作為有效的輔助研究手段，通過仿真分析該筒件車削變形及應力變化規(guī)律，為進一步的試驗研究及實際生產(chǎn)提供依據(jù)。

實踐證明，采用增大工件與夾具的接觸面積的方式，可以有效降低零件裝夾時的變形[1]。因此，在應用有限元仿真時，對該筒件分別采用全圓周夾緊約束和部分圓周夾緊約束的方式進行對比分析。

在影響薄壁件產(chǎn)生加工變形的諸因素中，切削力、夾緊力以及殘余應力是產(chǎn)生加工變形的主要因素[3]。這里主要考慮切削力的影響，來分析薄壁筒件加工變形和應力的變化。

該筒件要求在內(nèi)孔面上加工出6～8個寬度約為90 mm，單邊深度為5 mm的環(huán)形槽面。最上端環(huán)形槽面稱為第一圈環(huán)面，加工第一圈環(huán)面產(chǎn)生的變形比加工其它環(huán)面要大，因此只需要仿真分析加工第一圈環(huán)面的變形和應力狀況對加工精度的影響。

圖1 車削薄壁焊接筒件內(nèi)表面示意圖Fig.1 The schematic diagram in turning inner surface of welded thin-walled cylinder piece

1 加工薄壁筒內(nèi)環(huán)面切削力計算

依據(jù)車削力計算的經(jīng)驗公式[4]：

考慮材料參數(shù)和切削條件參數(shù)，可以計算出車削該薄壁筒件內(nèi)環(huán)面時的三向切削力，如表1所示。

表1 依據(jù)切削條件計算的最大、最小切削力Table 1 The calculation of the largest and smallest cutting force according to the cutting condition

2 對薄壁筒件采用全圓周夾緊約束

2.1 筒件第一圈環(huán)面上非焊縫區(qū)施加最大集中載荷

2.1.1 實體及有限元模型

薄壁焊接筒件簡化模型如圖2所示，包括兩個焊縫體和一個筒體，該模型按實際尺寸建模。該筒件選擇自動網(wǎng)格劃分，劃分完成的網(wǎng)格如圖3所示。筒件材料參數(shù)：彈性模量E=182 GPa，泊松比取0.3；焊縫體材料參數(shù)：彈性模量E=196 GPa，泊松比取0.29。

圖2 薄壁焊接筒件模型Fig.2 The model of welded thin-walled cylinder

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

表2 薄壁筒件采用全圓周約束時變形與應力分析結(jié)果匯總Table 2 Deformation and stress analysis results summary of thin-walled cylindrical parts adopted full circumferential constraints

表3 薄壁筒件采用部分圓周約束時變形與應力分析結(jié)果匯總Table 3 Deformation and stress analysis results summary of thin-walled cylindrical parts adopted part constraint of the circumference

2.1.2 邊界約束條件和加載

約束為底部平面和約束高度的整個外圓周面。在第一圈環(huán)面的非焊縫區(qū)施加集中載荷，作用點為（1.7 m，0，4.6 m），載荷為圓周力 5922 N，徑向力2280 N，軸向力±2189 N。分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 刀具沿工件軸線向下進給時分析結(jié)果Fig.4 Analysis results when to feed along the workpiece axis down for tools

圖5 刀具沿工件軸線向上進給時分析結(jié)果Fig.5 Analysis results when to feed along the workpiece axis up for tools

圖4分析表明，當?shù)毒哐毓ぜS線向下進給時，工件最大變形量為2.3054 um，最大應力為0.099 MPa。

圖5分析表明，當?shù)毒哐毓ぜS線向上進給時，工件最大變形量為2.299 um，最大應力為0.233 MPa。將圖4和圖5分析結(jié)果對比可知，刀具沿工件軸線向上進給比向下進給時變形減小，應力增大。

2.2 其它不同邊界條件下分析結(jié)果匯總

在2.1的基本條件下，以同樣的分析方法，考慮不同的切削位置、加載位置、約束條件、進給力方向等因素進行分析，得到不同條件下薄壁筒件最大變形和最大應力的數(shù)據(jù)，見表2所示。

3 對薄壁筒件采用部分圓周夾緊約束

3.1 筒件第一圈環(huán)面上焊縫區(qū)施加最小集中載荷

3.1.1 實體模型及有限元模型

此處筒件實體模型、有限元模型和材料屬性與前面情況相同，相應如圖2、圖3所示。

3.1.2 邊界約束條件和加載

根據(jù)筒件的工作狀態(tài)，約束包括底部環(huán)平面和約束高度處的內(nèi)外圓周面的四部分對稱區(qū)域。在筒件第一圈環(huán)面焊縫區(qū)施加集中載荷，載荷大小為圓周力2596 N，徑向力1000 N，軸向力為±960 N。分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 刀具沿工件軸線向上進給時分析結(jié)果Fig.6 Analysis results when to feed along the workpiece axis up for tools

圖6分析表明，當?shù)毒哐毓ぜS線向上進給時，工 件最大變形量為1.026 um，最大應力為0.1124 MPa。

圖7 刀具沿工件軸線向下進給時分析結(jié)果Fig.7 Analysis results when to feed along the workpiece axis down for tools

圖7分析表明，當?shù)毒哐毓ぜS線向下進給時，工件最大變形量為1.046 um，最大應力為0.1092 MPa。

3.2 其它不同加工狀況條件下分析結(jié)果匯總

在3.1的基本條件下，用同樣的分析方法，考慮不同的切削位置、加載位置、約束條件、進給力方向等因素進行分析，得到不同條件下筒件最大變形和最大應力的數(shù)據(jù)，見表3。

4 表2和表3分析結(jié)果對比

對表2和表3進行數(shù)據(jù)對比分析，可得：

4.1 內(nèi)外圓周面同時約束比只有外圓周面約束時，最大變形量減小，最大應力也有減小。

4.2 一定條件下，刀具沿工件軸向上進給比向下進給時最大變形量減小，應力有增大和減小的變化。

4.3 采用部分圓周約束比全部圓周約束時最大變形量增加，最大應力也增加，但增加的幅度不是很大。

4.4 從應力云圖可以看出，焊縫區(qū)產(chǎn)生最大應力集中的情況較多，實際焊縫區(qū)的應力狀況非常復雜，此處分析也說明焊縫區(qū)相對于非焊縫區(qū)是比較脆弱的。

4.5 總體看，在上面的加工條件下，車削薄壁筒件內(nèi)環(huán)面時的最大變形和最大應力都較小，最大變形量小于3 um，最大應力小于1 MPa，說明筒件剛性很好，變形和應力對加工質(zhì)量影響不大。

5 結(jié)論

通過對仿真分析，可以得出對筒件進一步切削試驗研究和實際生產(chǎn)加工起指導意義的結(jié)論：在加工薄壁焊接筒件內(nèi)環(huán)面時，采用內(nèi)外夾緊約束方式，有利于加工變形的減??；從減小加工變形的角度看，采用沿工件軸線向上進給比向下進給有利，但這樣增加了對工件夾緊的要求；雖然薄壁焊接筒件采用部分圓周約束比采用全部圓周約束時最大變形量和最大應力都增加，但是增加程度不大，所以采用部分圓周約束是可以滿足加工要求的。

［1］李文，周燕飛.超因瓦合金薄壁筒件的加工變形控制研究［J］.機械與電子，2008（5）：14-15.

［2］曲中興，張立武.超高強度鋼薄壁件車削變形控制［J］.航天制造技術(shù)，2008（5）：1-5.

［3］陳德蘭.控制薄壁零件變形的工藝措施［J］.裝備制造技術(shù)，2010（6）：119-120.

［4］陳日曜.金屬切削原理［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，1992.