弱剛度零件熱力耦合建模及其加工變形分析

龐　璐，左建華，盧繼平，王菲菲，張純喜

(北京理工大學(xué)，北京 100081)

弱剛度零件熱力耦合建模及其加工變形分析

龐璐，左建華，盧繼平，王菲菲，張純喜

(北京理工大學(xué)，北京 100081)

摘要：弱剛度零件剛度小，加工時(shí)在切削力和切削熱等多種因素的影響下易發(fā)生變形，變形形式復(fù)雜多樣，不易控制，這類(lèi)問(wèn)題成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。以簡(jiǎn)單的框類(lèi)弱剛度零件為代表，確定其材料本構(gòu)關(guān)系，建立零件的熱力耦合模型，并利用有限元分析軟件模擬其加工過(guò)程，得出零件加工過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布并預(yù)測(cè)其變形。通過(guò)對(duì)比大切深和分層銑削2種加工方式得出在一定范圍內(nèi)減小切削深度ap可有效控制弱剛度零件變形的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：弱剛度件；有限元；熱力耦合；加工變形

弱剛度結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空、能源和船舶等制造加工業(yè)，由于其具有剛度小、尺寸精度高、加工周期長(zhǎng)和工藝性差的特點(diǎn)，在切削力、切削熱及切削振顫等因素影響下，易發(fā)生加工變形，且變形形式多樣，加工精度不易控制[1]。常見(jiàn)的弱剛度結(jié)構(gòu)件主要有3種，即回轉(zhuǎn)類(lèi)弱剛度結(jié)構(gòu)件、筋條類(lèi)弱剛度結(jié)構(gòu)件和框類(lèi)弱剛度結(jié)構(gòu)件。本文以簡(jiǎn)單框類(lèi)弱剛度件為例進(jìn)行分析，加工過(guò)程中引起弱剛度結(jié)構(gòu)件變形的因素有很多，包括工件、刀具、機(jī)床、夾具及其他因素，各種因素耦合作用，交互影響。弱剛度結(jié)構(gòu)件加工變形的影響因素如圖1所示。

圖1　弱剛度結(jié)構(gòu)件加工變形影響因素

近年來(lái)，弱剛度結(jié)構(gòu)件的變形問(wèn)題引起了廣泛的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都進(jìn)行了這方面的研究[2-4]，基于熱力耦合因素影響下的變形研究也取得了一定的成果。呂成等[5]建立了某鈦合金鍛件鍛造過(guò)程的三維熱力耦合有限元模型，得到了變形過(guò)程中鍛件的充型情況以及溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的場(chǎng)量分布，并對(duì)鍛造缺陷的成因進(jìn)行了分析。顏怡霞[6]利用動(dòng)態(tài)顯式積分有限元程序?qū)饘俚那邢鬟^(guò)程進(jìn)行了三維熱力耦合分析，給出了切削過(guò)程中工件和切屑溫度、應(yīng)力和應(yīng)變分布的變化情況，從而得到了切削速度對(duì)不同形貌的切屑形成的影響。李虎等[7]基于通用有限元軟件ABAQUS建立符合實(shí)際的鈦合金薄壁殼體強(qiáng)旋熱力耦合三維彈塑性有限元模型，分析了TA15鈦合金薄壁殼體熱旋過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和壁厚的分布及旋輪圓角半徑對(duì)貼模性能的影響。

盡管基于熱力耦合的弱剛度件銑削加工仿真研究得到了深入的開(kāi)展，但目前還存在一定的不足，例如在建模過(guò)程中多數(shù)為了簡(jiǎn)化，以圓柱代替銑刀的外形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致分析結(jié)果存在某種程度的失真；一些研究將溫度場(chǎng)作為熱載荷施加到應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行間接耦合分析，從而不能充分考慮熱效應(yīng)對(duì)工件變形的影響。本文以弱剛度零件加工變形為研究背景，以熱力耦合建模技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)某個(gè)簡(jiǎn)單框類(lèi)弱剛度件加工的某一工序進(jìn)行仿真，充分考慮了刀具與工件的摩擦及彈塑性變形產(chǎn)生熱、刀具與工件之間的熱傳導(dǎo)等因素，預(yù)測(cè)了工件的變形情況。

1銑削過(guò)程有限元仿真

1.1本構(gòu)關(guān)系模型建立

本構(gòu)關(guān)系是材料的固有屬性，是材料變形過(guò)程中應(yīng)遵循的客觀(guān)規(guī)律。材料的特性不同，在其加工過(guò)程中所體現(xiàn)的可切削加工性也相應(yīng)的不同，所產(chǎn)生的切削力和切削熱隨之不同，從而在零件已加工表面產(chǎn)生較大的彈塑性和熱塑性變形，最終導(dǎo)致零件產(chǎn)生的加工變形不同；因此，構(gòu)建能夠真實(shí)反映被加工材料特點(diǎn)的材料本構(gòu)關(guān)系模型是保證加工過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果正確性和可靠性的前提。

切削仿真研究人員通常使用的材料本構(gòu)關(guān)系有：Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系模型(JC模型)、Zerilli-Armstrong本構(gòu)關(guān)系模型和Bodner-Partom本構(gòu)關(guān)系模型。JC模型主要考慮了應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)，對(duì)于弱剛度件，熱力耦合變形描述比較吻合，所以本文采用這個(gè)模型，其形式為：

1.2熱力耦合模型建立

零件側(cè)壁變形分析的幾何模型示意圖如圖2所示，框體尺寸為100 mm×60 mm×25 mm，圓角半徑為7 mm，側(cè)壁粗加工完成后厚度為3 mm。零件材料為普通碳素結(jié)構(gòu)45#鋼，由于是精加工，采用四刃圓柱立銑刀，銑刀直徑為10 mm，前角為10°，后角為15°，螺旋角為30°。在對(duì)刀具和工件劃分網(wǎng)格時(shí)， 兩者的單元類(lèi)型均選取六面體八節(jié)點(diǎn)熱力耦合單元C3D8RT，工件網(wǎng)格劃分采用局部加密劃分方式，在被切削的部位劃分的網(wǎng)格較密。由于刀具剛度比工件的剛度大的多，刀具的變形遠(yuǎn)小于工件的變形，故將刀具設(shè)置為剛體。環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。加工中采用真空吸盤(pán)裝夾，因此模型底部可以被認(rèn)為剛度很大，對(duì)分析模型的底部節(jié)點(diǎn)施加全部約束。由于分析側(cè)壁精加工變形，采用順銑的銑削方式，順銑的切屑厚度為從大到小變化，這樣可以保證切屑的產(chǎn)生是因切削產(chǎn)生而不是被擠壓出來(lái)的，從而不會(huì)影響工件的表面質(zhì)量。工件賦予邊界條件并劃分網(wǎng)格后的結(jié)果如圖3所示。

圖2　工件幾何模型示意圖　圖3　工件與刀具的裝配圖

2仿真結(jié)果與分析

2.1零件加工變形

模擬零件側(cè)壁的精加工過(guò)程，加工參數(shù)為：銑削深度ap=25mm，銑削寬度ae=1mm，每齒進(jìn)給量fz=0.05mm/z，主軸轉(zhuǎn)速n=1 000r/min。刀具與工件剛接觸時(shí)工件的變形情況如圖4所示。金屬切削過(guò)程中有3個(gè)主要的變形區(qū)，即由晶粒剪切滑移形成切屑的第一變形區(qū)，由切屑與前刀面的擠壓和摩擦形成的第二變形區(qū)以及由已加工表面與后刀面擠壓和摩擦形成的第三變形區(qū)。從仿真結(jié)果可以看出，工件最大變形出現(xiàn)在第一變形區(qū)，這與金屬切削理論是相符的。為了更直觀(guān)地反映工件的變形情況，如圖5所示，沿著刀具進(jìn)給方向，即X軸方向選取一系列節(jié)點(diǎn)形成1個(gè)路徑，然后在側(cè)壁中間位置自上而下取一系列節(jié)點(diǎn)，沿Z軸方向形成1個(gè)路徑，由于工件變形主要是Y軸方向的變形，故繪制出工件沿這2個(gè)路徑在Y軸方向的加工變形圖，如圖6和圖7所示。

圖4　刀具與工件剛接　　　圖5　選取節(jié)點(diǎn)示意圖　觸時(shí)的變形圖

圖6　工件沿X軸方向節(jié)點(diǎn)在Y軸方向上的變形圖

圖7　工件沿Z軸方向節(jié)點(diǎn)在Y軸方向上的變形圖

由于工件首末兩端的剛度小于中間的剛度，因此變形最大，圖像呈凹形。沿著Z軸從頂至底，工件的剛度依次降低，因此工件頂端的變形值要大于工件底端，圖像整體呈上升趨勢(shì)。

2.2溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布

側(cè)壁加工過(guò)程中在t=1.55 s時(shí)刻的應(yīng)力分布和溫度分布狀況如圖8和圖9所示。從圖8可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在加工部位附近區(qū)域，在刀刃與工件接觸部位和側(cè)壁與腹板接合部位形成局部應(yīng)力集中，遠(yuǎn)離加工區(qū)域的應(yīng)力不斷進(jìn)行自平衡而逐漸減小，其他區(qū)域應(yīng)力不斷進(jìn)行重新分布。從圖9可以看出，加工過(guò)程中的溫度分布與應(yīng)力分布有相似之處，在加工部位的附近區(qū)域溫度最高，遠(yuǎn)離加工部位的區(qū)域由于熱傳導(dǎo)而使溫度重新分布，并在熱交換影響下不斷減小，最終達(dá)到室溫。上述說(shuō)明在弱剛度件加工過(guò)程中，切削熱是切削過(guò)程中不容忽視的參量之一，大量的切削熱使得切削溫度升高，這將直接影響刀具的壽命以及工件材料的性能、加工精度和已加工表面的質(zhì)量等。應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律和黃志剛等[9]研究飛機(jī)整體框類(lèi)薄壁件銑削得出的分布規(guī)律基本一致。

圖8　工件側(cè)壁某時(shí)刻的應(yīng)力分布

圖9　工件側(cè)壁某時(shí)刻的溫度分布

2.3大切深及分層加工零件的變形對(duì)比

為控制弱剛度件的加工變形，應(yīng)合理選取切削參數(shù)，其中銑削深度ap是考慮的關(guān)鍵因素之一。在一定范圍內(nèi)減小ap時(shí)，切削力會(huì)減小，變形也會(huì)隨之減小。上述的模擬過(guò)程是一次進(jìn)給完成工件的側(cè)壁加工，即切削深度取25 mm，現(xiàn)分別取為18、15、12.5、5和2 mm，其他參數(shù)保持不變，對(duì)工件進(jìn)行切削模擬。為了更直觀(guān)地比較大切深及分層加工對(duì)零件變形的影響，將這5次模擬得到的工件側(cè)壁同一位置處的變形進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖10)。從圖10可以看出，分層切削情況下的工件變形明顯小于大切深情況下的工件變形。當(dāng)切削深度取2、5和12.5 mm時(shí)，工件的變形差異較為明顯，但隨著切削深度進(jìn)一步增大，工件變形增加趨勢(shì)變得較為平緩。這是因?yàn)楫?dāng)切削深度大到一定程度時(shí)，切削力會(huì)基本保持不變，對(duì)工件的變形影響也會(huì)變小，所以當(dāng)精度要求不是很高時(shí)，應(yīng)盡量選用較大的切削深度以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知分層加工對(duì)于控制弱剛度件加工變形具有重要意義。

圖10　不同切削深度下工件變形值對(duì)比圖

3結(jié)語(yǔ)

本文圍繞弱剛度件加工變形問(wèn)題，針對(duì)某個(gè)具體的框類(lèi)弱剛度結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了熱力耦合加工模擬，以預(yù)測(cè)其變形，為有效控制弱剛度結(jié)構(gòu)件加工變形打下了基礎(chǔ)。為了更貼近實(shí)際，建立了整體硬質(zhì)合金立銑刀銑削框類(lèi)弱剛度件的熱力耦合模型，直觀(guān)地模擬其銑削過(guò)程，模擬分析了工件整體變形情況，并通過(guò)選取節(jié)點(diǎn)的變形值繪制了加工變形圖。得出了工件加工過(guò)程中某時(shí)刻的應(yīng)力及溫度分布，分析了工件加工過(guò)程中應(yīng)力及溫度的分布規(guī)律，這與前人的研究成果基本一致，也驗(yàn)證了本模型的可靠性。對(duì)比了工件在大切深和分層加工2種加工方式下的變形情況，得出了在一定范圍內(nèi)減小ap，則變形會(huì)隨之減小的結(jié)論。

本文也有一定的不足之處，在數(shù)值模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮到刀具磨損等方面的因素。在材料模型方面，本文選用的Johnson-Cook本構(gòu)模型雖然應(yīng)用很廣泛，但是否有更符合的材料模型還需要進(jìn)一步探討；另外，受到計(jì)算時(shí)間和設(shè)備的限制，本文選取的零件比較簡(jiǎn)單，對(duì)于更為復(fù)雜的弱剛度件的變形問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

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責(zé)任編輯李思文

美國(guó)LTC公司實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料裝甲大幅減重

作為復(fù)合材料裝甲系統(tǒng)的領(lǐng)先開(kāi)發(fā)商，美國(guó)堪薩斯州威奇托市的LTC(Leading Technology Composites)公司使用的最新創(chuàng)新成果生產(chǎn)出了裝甲工業(yè)界質(zhì)量最輕、強(qiáng)度最高的裝甲系統(tǒng)。在車(chē)輛平臺(tái)上對(duì)這些裝甲系統(tǒng)初步集成后，相較于傳統(tǒng)裝甲系統(tǒng)，減重可達(dá)25%～45%；同時(shí)，在防彈衣插件等個(gè)人防護(hù)產(chǎn)品中，減重也可達(dá)10%～20%。LTC公司還開(kāi)發(fā)出了船舶或兩棲車(chē)輛的輕量裝甲系統(tǒng)。通過(guò)將該公司X-treme加工系統(tǒng)(X-treme processing system，XPS2)應(yīng)用于DSM Dyneema公司最新最先進(jìn)的超高分子量聚乙烯材料加工，可以前所未有地降低裝甲材料的面密度。XPS2工藝要求在材料固化過(guò)程中保持一套嚴(yán)格控制的工藝參數(shù)。在固化工序之后，二次冷加工和熱加工進(jìn)一步提高防彈性能，最終的性能有巨大提高。這些裝甲系統(tǒng)采用DSM Dyneema公司力量倍增器技術(shù)(force multiplier technology)制造，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的防彈性能、最輕的質(zhì)量、最小的外形尺寸等方面的良好匹配。

——摘自國(guó)防在線(xiàn)網(wǎng)

Analysis of Machining Deformation of Low-rigidity Parts based on Coupled Thermal-mechanical Model

PANG Lu, ZUO Jianhua, LU Jiping, WANG Feifei, ZHANG Chunxi

(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:Because of its poor rigidity, Low-rigidity parts are more likely to appearing deformation in machining due to cutting force, cutting heat and other factors. And it is difficulty to control, which attracts much attention in recent years. In the paper, the constitutive relation and coupled thermal-mechanical model of a simple frame low-rigidity part were made to simulate the machining process by using the finite element method, and drew the distribution of temperature field and stress field and predict its deformation. By comparing the large depth of cut and layered milling processing methods, a conclusion was made that reducing the cutting depth can effectively control deformation of the low-rigidity parts within a certain range.

Key words:low-rigidity parts, finite element method, coupled thermal-mechanical, machining deformation

收稿日期：2014-05-21

作者簡(jiǎn)介：龐璐(1990-)，女，碩士研究生，主要從事弱剛度結(jié)構(gòu)件加工變形等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 506.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A