基于ANSYS的薄壁框架靜力學(xué)變形分析

摘 要：鋁合金薄壁框架被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。薄壁框架在加工過(guò)程中容易發(fā)生變形，影響加工精度。銑削力是影響加工變形的主要原因，利用ANSYS軟件對(duì)薄壁框架進(jìn)行銑削力的加載，研究薄壁框架的受力變形規(guī)律，對(duì)于提高加工精度、質(zhì)量穩(wěn)定性和加工效率具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：ANSYS 薄壁框架 靜力學(xué) 變形

在航空飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，要求以提高結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度、斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕能力、降低飛行器的空重等為主要參數(shù)指標(biāo)，這就使得鋁合金材料在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中鋁合金薄壁框架類零件（以下簡(jiǎn)稱薄壁框架）在普通數(shù)控加工中極易產(chǎn)生彎曲、翹曲等加工變形，難以控制，不易保證加工精度。而工廠目前仍大量依賴傳統(tǒng)的試切方式、基于經(jīng)驗(yàn)的工藝參數(shù)選擇，這些經(jīng)驗(yàn)方法成本高、效率低、周期長(zhǎng)，缺乏可操作性和量化分析，薄壁工件的加工質(zhì)量不穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)引起其加工變形的相關(guān)因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為銑削力是影響加工變形的重要因素。因此，開展有關(guān)鋁合金銑薄壁框架銑削力與加工變形關(guān)系的研究，對(duì)于提高加工精度、質(zhì)量穩(wěn)定性和加工效率具有重要的意義。本文將基于ANSYS有限元軟件，針對(duì)特種材料7050鋁合金薄壁框架的銑削力與加工變形的關(guān)系進(jìn)行探討。

一、7050鋁合金銑削力的仿真實(shí)驗(yàn)

1.7050鋁合金材料屬性

7075鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系超硬合金，是在航空工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的超高強(qiáng)度變形鋁合金。其特點(diǎn)是（表1），固溶處理后塑性好，熱處理強(qiáng)化效果特別好，在150℃以下有高的強(qiáng)度，并且有特別好的低溫強(qiáng)度；焊接性能差；有應(yīng)力腐蝕開裂傾向；需經(jīng)包鋁或其他保護(hù)處理使用。雙級(jí)時(shí)效可提高合金抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。此合金具有良好的機(jī)械性能及陽(yáng)極反應(yīng)，是典型的航空用鋁。

2.工件材料本構(gòu)模型

從加工過(guò)程來(lái)看，切削加工工藝屬于冷加工的范疇，但從切屑形成的局部來(lái)看，切削加工工藝具有高溫、大變形的特點(diǎn)，為了耦合機(jī)械載荷和熱載荷的相互作用，提出采用熱彈塑性大變形有限元法。對(duì)于薄壁框架類零件來(lái)說(shuō)，其典型特征是框架壁較薄，在切削過(guò)程中，切削液的冷卻效果明顯，可以使框架薄壁的溫度不致過(guò)高，所以本文認(rèn)為對(duì)于薄壁框架的銑削變形可以僅從彈塑性變形有限元法來(lái)研究。

金屬切削過(guò)程是一個(gè)大塑性、高應(yīng)變率變形過(guò)程，流動(dòng)應(yīng)力是溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率的函數(shù)。采用John-son-Cook強(qiáng)度模型來(lái)描述工件材料性能，該模型假設(shè)流動(dòng)應(yīng)力是應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度的函數(shù)，綜合考慮了多個(gè)方面的影響，是一個(gè)比較合理的材料模型。根據(jù)文獻(xiàn)給出的7075航空鋁合金J-C強(qiáng)度模型，其具體形式可以表示為：

采用DEFORM-3D的milling模塊，針對(duì)7075鋁合金的銑削力的大小進(jìn)行仿真。仿真值見表2。

通過(guò)上表可以看出，利用DEFORM-3D軟件對(duì)7050鋁合金切削過(guò)程中的切削力進(jìn)行的有限元仿真分析，并同文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明DEFORM-3D軟件所得仿真數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果吻合度較高，說(shuō)明本文建立的DEFORM-3D銑削模型是可靠的。

二、利用ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析

1.ANSYS仿真模型的建立

假設(shè)薄壁框架的B梁需要進(jìn)行銑削加工，由于刀具在切削過(guò)程中是連續(xù)走刀的，在計(jì)算切削力時(shí)把走刀過(guò)程離散成若干個(gè)切削位置，即在實(shí)際模擬時(shí)，為方便分析加工變形，可通過(guò)在節(jié)點(diǎn)上施加載荷來(lái)完成切削力的施加。將薄壁框架劃分成六面體網(wǎng)格，將圖1中B梁按照長(zhǎng)度比例均分6份，依次等距取5個(gè)施加銑削力載荷的觀察點(diǎn)，建立多組不同尺寸薄壁框架的有限元模型分別加載進(jìn)行觀察。XYZ三個(gè)方向的載荷大小，根據(jù)deform軟件仿真獲得的載荷最大值進(jìn)行選取。不同壁長(zhǎng)情況下的加工變形，如圖2所示。

2.變形方案

依據(jù)薄壁框架的銑削加工變形規(guī)律，在不改變薄壁框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，控制銑削加工變形可以采取的方案有：

（1）優(yōu)化裝夾方案。改進(jìn)裝夾方案可以從裝夾位置、夾緊力等方面來(lái)考慮，使裝夾應(yīng)力均勻，減小工藝變形，保證零件尺寸精度。

（2）優(yōu)化切削參數(shù)。對(duì)切削速度、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切深等切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，可在一定程度上減小切削力，補(bǔ)償變形。

（3）刀具路徑優(yōu)化。采用文獻(xiàn)提出的主動(dòng)修正刀具路徑以減小加工變形的方法，即生成刀具路徑時(shí)預(yù)先考慮工件加工變形及其回彈量，通過(guò)修正或補(bǔ)償?shù)毒叩拿x路徑，從而減小或消除變形回彈誤差。

三、結(jié)論

本文探討了有限元法的基本知識(shí)，并通過(guò)DEFORM-3D和ANSYS有限元分析軟件對(duì)薄壁框架的銑削力和其導(dǎo)致的變形進(jìn)行了分析計(jì)算，總結(jié)了薄壁框架零件在受到銑削力時(shí)的變形隨零件尺寸參數(shù)的變化規(guī)律，提出了銑削變形控制措施，為研究控制加工變形工藝和切削參數(shù)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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