鋁合金航空薄壁框銑削變形預(yù)測(cè)研究

尹飛鴻，唐國(guó)興，陳志偉，干為民

YIN Fei-hong1,2, TANG Guo-xing1, CHEN Zhi-wei1, GAN Wei-min2

（1. 常州工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，常州 213002；2. 常州市特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213002）

0 引言

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能要求的不斷提高，越來(lái)越多的鋁合金整體結(jié)構(gòu)件在航空制造業(yè)中被廣泛采用，如整體薄壁框、梁、壁板及接頭等，這是由于鋁合金結(jié)構(gòu)件具有整體性能優(yōu)越、密度低、強(qiáng)度接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼且塑性好等特性。從制造角度看，整體薄壁框零件剛性差，切削力對(duì)加工精度的影響較為顯著，加工時(shí)在銑削力的作用下極易發(fā)生加工變形，影響工件加工精度和成本。所以，預(yù)測(cè)和分析航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形具有十分重要的意義。由于航空薄壁零件的銑削加工變形問(wèn)題非常復(fù)雜，其加工變形涉及到毛坯材料本身的殘余應(yīng)力及其分布、裝夾方式和裝夾應(yīng)力、銑削方式和順序等等。本文借助于有限元軟件僅僅模擬了切削力作用下7075-T651薄壁框零件精加工過(guò)程中的變形情況，分析了其變形規(guī)律，通過(guò)改變薄壁框零件的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行銑削有限元分析，得到了薄壁件的尺寸與加工變形間的關(guān)系，分析結(jié)果對(duì)實(shí)際銑削加工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 薄壁框銑削模型

1.1 幾何模型

從第三代飛機(jī)開(kāi)始大量采用了如圖1(a)所示的整體框類結(jié)構(gòu)件[1～3]。文章時(shí)分析考慮到計(jì)算機(jī)的局限性和運(yùn)算速度，取單一鋁合金航空薄壁框進(jìn)行分析，模型尺寸?。簝?nèi)壁長(zhǎng)80mm，寬40 mm，高20mm，壁厚4mm，如圖1(b)所示。為了便于后續(xù)的計(jì)算和分析，規(guī)定坐標(biāo)系的方向如下：1) 沿刀具進(jìn)給方向?yàn)閄正方向(即工件長(zhǎng)度方向)；2) 沿刀具軸向遠(yuǎn)離工件方向?yàn)閆正方向(即工件厚度方向)；3 )根據(jù)X軸和Z軸的方向并利用右手定確定Y正方向(即工件寬度方向)。

圖1 薄壁框幾何模型

1.2 銑削力模型

準(zhǔn)確的銑削力模型是研究加工變形的關(guān)鍵工作，雖然力學(xué)法建立的切削力模型有很多形式，一般習(xí)慣于以刀具的坐標(biāo)x，y，z方向來(lái)表示切削力，故將切削力理論值變換到刀具坐標(biāo)的x，y，z方向[4～8]。文獻(xiàn)[9]采用四因素、四水平正交試驗(yàn)方法，基于銑削速度、銑削寬度、銑削深度和進(jìn)給量四個(gè)基本參數(shù)，通過(guò)參數(shù)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和矩陣簡(jiǎn)化法，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，建立了基于鋁合金材料7075-T651的數(shù)控三向銑削力經(jīng)驗(yàn)公式。因此本文采用文獻(xiàn)[9]所建立的銑削力經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行數(shù)值分析。其銑削力模型如下：

式中：d為刀具直徑， z為銑刀齒數(shù)，ap為銑削深度，v為銑削速度，f為銑削進(jìn)給量，aw為銑削寬度，k是與銑削液相關(guān)的修正系數(shù)，采用1：15的水和冷卻油相混合銑削液時(shí)取0.62。

2 薄壁框銑削應(yīng)力與變形有限元分析

2.1 基本假設(shè)

由于薄壁框銑削加工變形涉及的因素較多[10]，在模擬過(guò)程中如果綜合考慮各種因素，會(huì)導(dǎo)致求解過(guò)程十分復(fù)雜，甚至忽視掉重要的條件。因此，有必要對(duì)銑削加工模擬過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè)。

1) 工件已消除了初始?xì)堄鄳?yīng)力；

2) 工件材料是完全各向同性材料，其變形是彈塑性的；

3) 切削加工過(guò)程中，視機(jī)床、刀具、工裝等工藝系統(tǒng)為剛體；

4) 不考慮刀具的刃口鈍化和磨損，視刀具始終鋒利，不考慮刀具的幾何角度對(duì)切削變形的影響，視刀具幾何參數(shù)不變；

5) 加工變形是工件在切削力作用下的變形引起的，不考慮熱變形對(duì)薄壁框的影響。

2.2 銑削工藝參數(shù)及工藝路線

本文選用W9M03Cr4V立銑刀，銑削方式為順銑內(nèi)壁。

銑刀參數(shù)：刀具直徑d＝l0mm，螺旋角β＝30°，齒數(shù)z＝3。

銑削用量：銑削深度ap為20mm，銑削速度v為200m/min，銑削進(jìn)給量f為500mm/min，銑削寬度aw為2mm。

工藝路線：首先進(jìn)行粗加工，單側(cè)將毛坯厚度銑削到10mm，然后進(jìn)行精加工，走刀路徑采用從左到右的走刀路徑。

2.3 有限元模型的建立及分析策略

目前有限元建模過(guò)程基本上是借助CAD軟件或有限元軟件來(lái)完成。利用有限元軟件與CAD軟件接口直接引入CAD模型往往導(dǎo)致模型的變化和產(chǎn)生過(guò)于龐大的節(jié)點(diǎn)數(shù)，以至缺失數(shù)據(jù)，影響有限元分析的準(zhǔn)確性和精度[11]，本文利用ANSYS軟件通過(guò)APDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序建立薄壁框的有限元模型，其尺寸為88×48×20 mm，建模時(shí)選用具有塑性、蠕變、大變形、大應(yīng)變和高階單元形式的20節(jié)點(diǎn)的SOLID95單元，材料為7075-T651鋁合金，機(jī)械性能參數(shù)為彈性模量E＝71GPa，泊松比μ＝0.33，抗拉強(qiáng)度σb＝503MPa，使用SWEEP的方法劃分網(wǎng)格，薄壁框三維有限元模型如圖2所示。研究對(duì)象約束采取對(duì)稱定位，約束一個(gè)中心面X方向的自由度，約束另一個(gè)面y方向的自由度，并對(duì)模型底面約束z方向的自由度。

由于銑削過(guò)程中刀具是連續(xù)走刀，銑削載荷為具有集中、移動(dòng)特點(diǎn)的移動(dòng)載荷，易形成對(duì)空間和時(shí)間梯度都很大的不均勻應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，這正是形成加工變形的根本原因。在實(shí)際模擬時(shí)，把走刀過(guò)程離散成若干個(gè)切削位置，每一個(gè)切削位置就是工件一個(gè)工況，根據(jù)刀具和工件之間的作用力與反作用力的關(guān)系，把刀具上所受的銑削力（包括切削力、進(jìn)給力、軸向力）等效地施加到模型節(jié)點(diǎn)上，并假設(shè)銑刀一次走刀完成全深度切削。分析時(shí)利用單元生死技術(shù)，沿著載荷移動(dòng)方向按一定的時(shí)間t依次加載移動(dòng)載荷，載荷中心每次以一個(gè)單元的距離向前推進(jìn)，并且在加載下一個(gè)載荷前，殺死前一個(gè)單元，同時(shí)前進(jìn)一步載荷，依次類推，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)切削過(guò)程。

圖2 薄壁框三維有限元模型

2.4 銑削有限元分析結(jié)果

將上述有限元模型以200個(gè)載荷步進(jìn)行分析、處理和模擬，得到如圖3所示的薄壁框銑削應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，該薄壁框銑削最大應(yīng)力主要集中在刀具切削位置，其值為31.677MPa。

圖3 薄壁框銑削應(yīng)力云圖

為了了解銑削加工的變形情況，取80×20的內(nèi)壁沿長(zhǎng)度方向每隔16mm取一條觀察線，即X依次取20、36、52、68mm共4條觀察線，分別標(biāo)記為X11、X12、X13、X14, 沿高度方向每隔4mm取一條觀察線，即Z依次取4、8、12、16、20mm共5條觀察線，分別標(biāo)記為Z11、Z12、Z13、Z14、Z15；在40×20的內(nèi)壁沿寬度方向每隔8mm取一條觀察線，即Y依次取12、20、28、36mm共4條觀察線，分別標(biāo)記為Y21、Y22、Y23、Y24, 沿高度方向每隔4mm取一條觀察線，即Z依次取4、8、12、16、20mm共5條觀察線，分別標(biāo)記為Z21、Z22、Z23、Z24、Z25。分別提取以上各觀察線上各點(diǎn)的變形值繪制加工變形曲線，其結(jié)果如圖4!圖7所示。

圖4 80×20內(nèi)壁長(zhǎng)度方向變形曲線

圖5 80×20內(nèi)壁高度方向變形曲線

從圖4、圖6可以看出二者的變化規(guī)律基本一致，即各處的變形均隨著Z坐標(biāo)值（高度）的增大變形顯著增加，這是由于隨著框體高度的增加，受框體底面部分的約束影響減小，從而剛度顯著減小所致。觀察兩圖還可以看出，圖4中的變形值明顯大于圖6中的變形值，這是由于工件的長(zhǎng)度尺寸明顯大于寬度尺寸，從而導(dǎo)致兩端約束對(duì)中間變形的影響越來(lái)越小。

圖6 40×20內(nèi)壁寬度方向變形曲線

圖7 40×20內(nèi)壁高度方向變形曲線

以上圖5、圖7可以看出，兩圖均呈拋物線型的變化規(guī)律，長(zhǎng)（寬）度的兩端點(diǎn)處的變形均較小，框體中部變形大于兩端變形，由于框體兩端受約束的影響較大，而中部受約束的影響較小，所以中部變形大于兩端變形，且中間各位置處的變形相差并不明顯。所以在約束少及剛性差的位置應(yīng)該通過(guò)增加輔助支承、減小進(jìn)給量等措施來(lái)減小變形。

3 框體結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)銑削變形影響分析

銑削變形不僅與銑削力有關(guān)，還與薄壁框零件本身尺寸有關(guān)系，在材料屬性、銑削工藝參數(shù)及工藝路線不變的情況下，通過(guò)單獨(dú)改變薄壁框的長(zhǎng)或?qū)捴械哪骋怀叽绲姆绞剑A(yù)測(cè)薄壁框體結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)銑削加工變形的影響。圖8為薄壁框的長(zhǎng)度從55至100mm的最大銑削變形隨長(zhǎng)度的變化情況，圖9為薄壁框的寬度從20至60mm的最大銑削變形隨寬度的變化情況。

圖8 不同長(zhǎng)度的薄壁框最大銑削變形

圖9 不同寬度的薄壁框最大銑削變形

從圖8、圖9的變化曲線可以看出：二者的變化趨勢(shì)相似，均隨著長(zhǎng)度或?qū)挾鹊脑黾?，其最大變形也逐漸增加，但寬度方向的變形明顯大于長(zhǎng)度方向的變形。

4 結(jié)論

1)薄壁框體銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理過(guò)程, 銑削加工過(guò)程中由于銑削力作用，在零件內(nèi)部存在的局部應(yīng)力積聚會(huì)使被加工的薄壁框零件具有潛在的應(yīng)力和變形條件，采用彈塑性有限元法可以對(duì)加工應(yīng)力、加工變形等物理量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

2)在實(shí)際工程中可以運(yùn)用該方法模擬薄壁框體銑削時(shí)工件的變形，進(jìn)一步控制和減小加工變形，從而保證工件幾何尺寸的工藝要求。

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