機翼顫振模型梁架加工變形研究

段振云， 戴現(xiàn)偉， 趙文輝， 李瀟

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽110870）

機翼顫振模型梁架加工變形研究

段振云， 戴現(xiàn)偉， 趙文輝， 李瀟

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽110870）

機翼顫振模型對模擬飛機動力學特性、剛度分布、質(zhì)量分布與氣動外形具有重要意義。其梁架的性能對飛機模擬顫振試驗有著重要的影響。機翼顫振模型梁架由于尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、剛度差，在銑削加工中變形較大，其精度難以控制。為此，借助有限元軟件對其進行銑削加工仿真，獲得已加工表面殘余應(yīng)力，進而預測梁架銑削時的加工變形。在此基礎(chǔ)上，對梁架加工工藝進行優(yōu)化，提高加工精度。

機翼顫振模型；梁架；殘余應(yīng)力；加工變形

0 引言

機翼顫振模型是模擬飛機動力學特性、剛度分布、質(zhì)量分布與氣動外形的一種縮比模型。梁架作為飛機機翼顫振模型的關(guān)鍵、核心部件，其性能對飛機模擬顫振試驗有著重要的影響。目前，國內(nèi)外對薄壁件加工變形的研究［1-5］很多，主要借助有限元模擬技術(shù)對銑削加工過程進行加工仿真，預測工件的加工變形規(guī)律。

梁架作為機翼顫振模型的主要傳力件，是由前端翼梁、框架梁、骨刺和定位座組成的復雜薄壁件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。梁架的外形尺寸為總體長度1 164.96 mm，總體寬度 926.8 mm，高度22.4 mm。該梁架具有以下工藝特點：

1）零件的結(jié)構(gòu)復雜。存在多個框架梁結(jié)構(gòu)，有數(shù)十個尺寸需要保證。

2）大量的薄壁結(jié)構(gòu)。梁架的骨刺厚度是從22.4 mm至零，加工時易變形，影響梁架裝配時的形位精度。

圖1 機翼顫振模型梁架

3）材料去除率高。零件的質(zhì)量只有毛坯重量的18%。零件在切削熱、材料殘余應(yīng)力以及切削應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生變形。

4）弱剛度結(jié)構(gòu)。整個零件由于要求質(zhì)輕，因此梁架許多材料都被切掉。

由于殘余應(yīng)力會造成零件在加工后的尺寸不穩(wěn)定性［6］，為此運用ANSYS/LS-DYNA軟件進行切削仿真模擬，采用了一種“矯枉過正”［7］的加工方法，可以有效地模擬殘余應(yīng)力的大小和分布，進而得出裝夾松開后由于殘余應(yīng)力釋放對梁架的影響，旨在控制加工變形和優(yōu)化加工工藝。

1 加工工藝方案

對梁架的整體結(jié)構(gòu)分析，其切削內(nèi)容分為銑削和線切割加工。由于該零件是薄壁件，剛性較差，在實際加工由于弱剛度等問題易產(chǎn)生變形，所以控制加工變形就顯得尤為重要。因此加工工藝制定的合理與否直接影響到零件的加工質(zhì)量。

零件加工前應(yīng)先進行正火處理，目的是細化晶粒，改善切削性能。毛坯件粗銑完成后，進行調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火），消除零件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，可以使鋼的性能得到很大程度的提高。結(jié)合零件弱剛度特點，裝夾部位應(yīng)該選擇前、后端翼面處。由于梁架是上、下對稱結(jié)構(gòu)，銑削加工中需要多次切削、多次翻轉(zhuǎn)工件，因此工件就需要多次裝夾。由于單面粗銑加工后剛度下降較多，就需要添加輔助支撐用于完成其他切削加工工序。

此外，應(yīng)對每道工序按照工藝要求進行在線測量，及時調(diào)整工藝參數(shù)，避免不合格產(chǎn)品轉(zhuǎn)到下道工序。

2 加工殘余應(yīng)力的有限元模擬

2.1 切削有限元模擬

以機翼顫振模型梁架作為研究對象，建立三維切削仿真模型，如圖2。由于金屬切削屬于高度非線性問題，所消耗的計算機時間比一般的問題要長，所以網(wǎng)格化處理就顯得尤為重要。

圖2 切削有限元分析模型

2.2 數(shù)值模擬過程及其結(jié)果

圖3 銑削加工仿真時Von Mises應(yīng)力云圖

金屬切削加工是一個復雜的切削變形過程，材料模型的精度對有限元仿真的精度有很大程度的影響，本文采用45鋼 Johnson-Cook模型［8］。運用ANSYS/LS-DYNA軟件進行有限元動力學仿真［9］。模擬過程中要有足夠的時間使切削模擬達到穩(wěn)定狀態(tài)，在刀具離開工件表面后得到殘余應(yīng)力的數(shù)值。圖3是采用LS-DYNA模擬切削的Von Mises應(yīng)力云圖，當?shù)毒唠x開工件表面時，通過LS-PREPOST軟件可以得到工件殘余應(yīng)力。圖4～圖6是退刀后梁架的殘余應(yīng)力應(yīng)力云圖。

圖4 t=25s時梁架的X向應(yīng)力云圖

圖5 t=25s時梁架的Y向應(yīng)力云圖

圖6 t=25s時梁架的Z向應(yīng)力云圖

根據(jù)圖4～圖6可知，在模擬切削仿真中，刀具與工件的接觸部分應(yīng)力最高。當切削完成后，由于邊界條件和內(nèi)部材料約束等影響，工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力隨著刀具離開仍留在工件表面。然后利用有限元后處理工具來獲取加工完成后工件表面殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3 梁架變形分析

3.1 梁架有限元模型

圖7 梁架有限元模型

梁架在粗、半精銑加工仿真后其表面會產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力，在裝夾松開后，被切削部分的殘余應(yīng)力會釋放出來，其內(nèi)部為達到新的平衡，就會出現(xiàn)較大變形，最終會影響零件的加工精度。因此對梁架進行殘余應(yīng)力釋放變形分析就顯得很重要［10］。利用ANSYS/LS-DYNA開發(fā)的后處理工具LS-PREPOST將前面分析得到的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)提取出來，處理后作為載荷施加到梁架上進行靜力分析，得到最終變形結(jié)果，建立如圖7所示的有限元模型。

在切削仿真中，隨著工件材料被切除，毛坯內(nèi)的殘余應(yīng)力被逐漸釋放出來，原來的自身平衡被打破，因此工件只有通過變形達到新的平衡狀態(tài)。模擬時將殘余應(yīng)力按照“力平衡、力矩平衡”的原則沿厚度方向施加到有限元模型的表面上。由設(shè)計基準可知，以框架梁前端面為定位基準，約束該面的6個自由度。根據(jù)梁架的加工工藝路線方案可知，半精銑對稱結(jié)構(gòu)的切削深度均是0.5mm。通過仿真處理后的最大加工殘余應(yīng)力值施加到梁架上進行靜力分析。

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)LS-PREOPST處理后提取的載荷作為梁架銑削加工時的靜力分析。由圖8可知，銑削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對工件的最終變形是不容忽視，最大值出現(xiàn)在邊翼處，翼梁和前后端翼面也有部分變形。計量結(jié)果采用的是米制單位，經(jīng)有限元分析可知，Z向變形量最大值為0.204 mm。

圖8 對稱切削深度相同時的變形結(jié)果

為了提高梁架加工質(zhì)量，采用一種“矯枉過正”的加工方式。根據(jù)梁架的對稱結(jié)構(gòu)可知，在銑削加工中上表面半精銑的切削量要小，這是由于隨著上表面材料去除，梁架的剛度變小從而增大了變形，而下表面的切削量要大于上表面，目的是為了讓下表面加工時產(chǎn)生較大的變形量，以抵消上表面的加工變形。即在銑削加工中調(diào)整對稱結(jié)構(gòu)不同的切削量。

圖9 對稱切削深度不同時的變形結(jié)果

圖9是在其他模擬條件不變的情況下將對稱結(jié)構(gòu)切削深度調(diào)整為0.7 mm和1 mm條件下的變形結(jié)果。

在加工工藝調(diào)整后，即改進后梁架的加工工藝路線為：下料→線切割→鉆孔→正火處理→毛坯件上端面粗銑→翻轉(zhuǎn)工件→毛坯下端面粗銑→調(diào)質(zhì)處理→半精銑（切削深度為0.7 mm）→翻轉(zhuǎn)到另一面進行半精銑（切削深度為1 mm）→線切割→完成。

在此基礎(chǔ)上，梁架在Z向的變形量最大值為0.0918mm。變形減至對稱結(jié)構(gòu)切削深度相同時的45%，可知合理的對稱切削深度能有效地提高梁架的加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文針對機翼顫振模型梁架的結(jié)構(gòu)特點，對其進行結(jié)構(gòu)工藝性分析，確定加工工藝方案。對梁架的薄壁、質(zhì)輕等弱剛度結(jié)構(gòu)，借助ANSYS/LS-DYNA軟件進行動態(tài)銑削加工仿真，分析加工殘余應(yīng)力對其變形影響，采用了一種“矯枉過正”的加工方式來控制加工變形的方法，并利用后處理工具LS-PREOPST處理后提取的載荷作為梁架銑削加工時的靜力分析。在此基礎(chǔ)上，對梁架加工工藝進行優(yōu)化，提高了加工精度。

［1］ Budak E，Altinas Y.Modeling and avoidance of static form errors in peripheral milling of plates［J］.International Journal of Machine Tools＆Manufacture，1995，35（3）：459-476.

［2］ 萬敏，張衛(wèi)紅.薄壁件周銑切削力建模與表面誤差預測方法研究［J］.航空學報，2005，26（5）：598-603.

［3］ 武凱，何寧，廖文和，等.薄壁腹板加工變形規(guī)律及其變形控制方案的研究［J］.中國機械工程，2004，15（8）：670-674.

［4］ WangZhaojun，ChenWuyi，ZhangYidu，etal.Studyonthemachining distortion of thin-walled part caused by redistributionof residual stress［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2005，18（2）：175-179.

［5］ 陳遠權(quán)，高健.基于ANSYS/LS-DYNA的葉片加工變形分析研究［J］.機械設(shè)計與制造，2010（10）：101-103.

［6］ 陳蔚芳，陳華，樓佩煌，等.薄壁件加工變形控制快速仿真平臺開發(fā)［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15（2）：321-327.

［7］ 李欣.控制零件加工變形的措施［J］.產(chǎn)品與技術(shù)，2012（4）：98-99.

［8］ 陳剛，陳忠富，陶俊林，等.45鋼的Johnson-Cook失效參量［C］//中國力學學會學術(shù)大會，2005.

［9］ Fish J，Oskay C，F(xiàn)an R.AL 6061-T6-Elastomer Impact Simulations［R］//RPI Research Reports，2005.

［10］ 李國和.基于ANSYS/LS-DYNA的金屬切削過程有限元模擬［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2007（12）：173-176.

（編輯昊 天）

Research on Machining Distortion of Wing Flutter Model Beams

DUAN Zhenyun， DAI Xianwei， ZHAO Wenhui， LI Xiao
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China）

Wing flutter model is important for simulating aircraft dynamics,stiffness distribution,mass distribution and aerodynamic shape.The performance of the beams has an important impact on aircraft flutter simulation test.Accuracy of wing flutter model beams is difficult to control due to size large,complex structure,stiffness difference in milling large deformation.For this reason,finite element software is used to carry out its milling simulation and obtain the machined surface residual stress,machining deformation of beams milling is predicted.On this basis,the processing technology of the beams is optimized to improve machining accuracy.

wing flutter model；beams；residual stress；machining distortion

TH 162

A

1002－2333（2014）05－0113－03

段振云（1971—），男，教授，博士生導師，工學博士學位，新能源學院副院長，學科帶頭人，研究方向為現(xiàn)代制造技術(shù)；戴現(xiàn)偉（1986-），男，碩士研究生，研究方向為機械工程。

2013-12-17

國家自然科學基金資助項目（51275073）