2A12 鋁合金機(jī)油泵蓋的銑削變形分析及控制策略* ＊

胡費(fèi)祥 趙 波 楊 晨 李金國(guó) 吳軼杰

(①上海工程技術(shù)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，上海201620;②上汽集團(tuán)幸福摩托車(chē)有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部，上海201900)

銑削加工是在銑床上利用銑刀對(duì)工件進(jìn)行高速切削的加工方法，其具備加工效率高、刀齒散熱條件好等優(yōu)勢(shì)，近十幾年來(lái)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、模具加工等行業(yè)。銑削力的大小決定了銑削過(guò)程中所消耗的功率和加工工藝系統(tǒng)的變形，對(duì)加工精度和加工質(zhì)量有著直接的影響。

在考慮銑削加工變形時(shí)，主要是要給出較合理的銑削力和夾緊力，銑削力一般隨著加工過(guò)程的進(jìn)行而不斷波動(dòng)，較為復(fù)雜。在這方面，已有許多研究者進(jìn)行了研究。于魯萍［1］較為系統(tǒng)地闡述了實(shí)際工程中減小2A12鋁帶板類工件機(jī)械加工變形的方法，主要討論了材料的纖維、切削方式、裝夾方式等。王志剛［2］介紹了有限元在分析薄壁件銑削加工變形中的應(yīng)用，并提出一種數(shù)控補(bǔ)償方法來(lái)減小讓刀誤差，從而控制薄壁件的加工精度。許多研究者通過(guò)對(duì)銑削力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究［3－5］表明，不同的銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響較大。

本文以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的2A12 鋁合金機(jī)油泵蓋銑削加工為例，來(lái)進(jìn)行夾緊力和銑削力作用下的變形有限元模擬，通過(guò)對(duì)變形結(jié)果的分析，然后對(duì)夾具進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后再次進(jìn)行有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明模擬結(jié)果可靠，改進(jìn)效果良好。

1 問(wèn)題描述及主要影響因素

圖1 為某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)2A12 鋁合金機(jī)油泵蓋三維模型及加工面示意圖。在對(duì)圖1 所示加工面進(jìn)行銑削加工時(shí)，由于夾具的夾緊力和銑刀的銑削力的作用，會(huì)使工件產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致銑削工件的精度下降。同時(shí)，銑削的面是用于和機(jī)油泵泵體進(jìn)行裝配的，如果精度不高，那么裝配后就會(huì)存在縫隙，從而導(dǎo)致漏油以及內(nèi)外壓力的傳遞，這將大大降低機(jī)油泵的性能和工作效率。

因此，為了保證加工精度，對(duì)銑削加工時(shí)的加工變形規(guī)律的研究顯得十分必要。而實(shí)際銑削過(guò)程中，影響變形的因素有很多，如機(jī)床、刀具、夾具及切削參數(shù)等，但大部分都可以歸結(jié)到銑削力和夾緊力上，故本文主要考察銑削力和夾緊力。

(1)銑削力

采用常用的回歸分析方法，建立銑削2A12 鋁合金銑削力經(jīng)驗(yàn)公式［6－8］。根據(jù)金屬切削原理研究結(jié)論，在加工材料和刀具幾何參數(shù)確定的前提條件下，切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系。設(shè)銑削力經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式為:

式中:C、b1、b2、b3、b4為常系數(shù);F 為切削力;n 為主軸轉(zhuǎn)速;ap為軸向切深;ae為銑削寬度;fz為每齒進(jìn)給量。

由于表達(dá)式中待定系數(shù)很多，一般通過(guò)測(cè)力儀器測(cè)量銑削過(guò)程的一些銑削力，然后通過(guò)回歸的方法來(lái)擬合出銑削力的經(jīng)驗(yàn)公式。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，銑削2A12 鋁合金平板并測(cè)量銑削力，再利用MATLAB 軟件進(jìn)行輔助計(jì)算，最終得到的2A12 鋁合金銑削力的經(jīng)驗(yàn)公式為:

(2)夾緊力

夾緊力是固定加工工件的作用力，這個(gè)力對(duì)加工精度也有影響。如果夾緊力過(guò)小，則不能很好的固定住工件，會(huì)導(dǎo)致工件在加工時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)而導(dǎo)致加工錯(cuò)位和產(chǎn)生加工變形;如果夾緊力過(guò)大，則會(huì)使夾緊部位產(chǎn)生塑性變形而使整個(gè)工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力和縱向翹曲，從而產(chǎn)生縱向位移并導(dǎo)致縱向加工精度下降。因此，選擇合理的夾緊力對(duì)保證工件的加工精度至關(guān)重要。

就加工2A12 鋁合金機(jī)油泵蓋而言，實(shí)際加工過(guò)程采用的是液壓夾具，其夾緊力是可調(diào)節(jié)的。因此，在數(shù)值模擬時(shí)，也可以改變施加的夾緊力的大小，研究夾緊力和夾緊變形之間的關(guān)系。

2 模型的建立和數(shù)值模擬

先利用UG 軟件建立機(jī)油泵蓋的實(shí)體模型(見(jiàn)圖1)。從圖1 中可以看到機(jī)油泵蓋零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)于這種復(fù)雜多面部件的有限元建模一直是難點(diǎn)。文中首先采用Hypermesh 軟件作為網(wǎng)格劃分工具，在保證質(zhì)量的前提下，能夠快速完成整個(gè)機(jī)油泵蓋的網(wǎng)格劃分工作。然后，通過(guò)ABAQUS 軟件進(jìn)行求解。注:夾板和支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可直接用ABAQUS 繪制并劃分網(wǎng)格。

采用Hypermesh 軟件快速劃分復(fù)雜零件網(wǎng)格時(shí)的基本思想是先生成面網(wǎng)格，然后由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。首先清理三維模型，刪除一些影響網(wǎng)格質(zhì)量但又對(duì)分析計(jì)算影響不大的小孔小面等。一些無(wú)法刪除的孔、面可先采用小尺寸劃分網(wǎng)格，隨后其他用較大尺寸劃分，最后修復(fù)連接處的網(wǎng)格。完成面網(wǎng)格之后需進(jìn)行網(wǎng)格清理。清理2D 網(wǎng)格可采用Hypermesh 自帶的Auto Clean up 功能自動(dòng)清理加手動(dòng)調(diào)整，清理完成后檢查網(wǎng)格封閉性，最后由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。當(dāng)個(gè)別面網(wǎng)格不能生成體網(wǎng)格時(shí)，需重新調(diào)整，直至能生成體網(wǎng)格為止。圖2 為氣缸蓋的四面體單元有限元模型，模型總單元數(shù)為738 966，將其導(dǎo)出為ABAQUS 類型的文件并保存。

將保存的inp 文件導(dǎo)入到ABAQUS 軟件中，對(duì)圖2 所示的模型進(jìn)行基于ABAQUS 的接觸有限元分析，機(jī)油泵蓋體的材料屬性為2A12 鋁合金的材料屬性，即:彈性模量E =71 GPa，泊松比μ =0.33。夾具為普通鋼材的材料屬性，即彈性模量E =210 GPa，泊松比μ=0.3。在ABAQUS 里面將夾具裝配并劃分網(wǎng)格，定義約束和接觸后如圖3 所示。

關(guān)于模型的加載，主要有夾緊力的加載和銑削力的加載。夾緊力的施加按給定的夾緊力每處夾板與工件接觸面積的大小，求出每處的面壓力，再以面壓力的形式施加在工件上。而在銑削加工過(guò)程中由于同時(shí)伴隨進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銑削過(guò)程是極其復(fù)雜的，在現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)還無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際加工中刀具的旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給復(fù)合運(yùn)動(dòng)。切削加工過(guò)程中，銑刀與被切削材料之間的相互作用，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)切削力載荷的形式表示。當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)給到某一位置時(shí)，銑刀的刀齒開(kāi)始由下向上切削，其過(guò)程可以離散為線載荷對(duì)工件的作用。由于在有限元模型中，對(duì)于階次較低的單元，可以按靜力等效原則，這樣我們就可以簡(jiǎn)化為將載荷分配在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。在實(shí)際模擬時(shí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)加力(包括切削力、進(jìn)給力、軸向力)來(lái)完成切削力施加［9］。

3 結(jié)果分析

圖4 為僅施加夾緊力(150 N)時(shí)的變形云圖。

表1 為未施加銑削力時(shí)的不同區(qū)域最大位移值與夾緊力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在夾緊力作用下，變形量都是微米量級(jí)的，與實(shí)際要求的0.02 mm 的加工精度不在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，故在模擬銑削力作用下的加工變形時(shí)，只取一組夾緊力來(lái)模擬，后面計(jì)算中，夾緊力取250 N。需要注意的是，如果在實(shí)際操作過(guò)程中，每處的夾板(支撐面)不在同一平面上，從而產(chǎn)生扭矩，那將對(duì)變形有很大影響。

表1 未施加銑削力時(shí)的不同區(qū)域最大變形與夾緊力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 μm

因此，下面考慮在銑削力的作用下工件產(chǎn)生的變形。為了進(jìn)行不同銑削位置時(shí)變形的對(duì)比，對(duì)圖3 中圓圈所示的6 個(gè)位置處分別進(jìn)行加載。為了更好地和實(shí)際加工情況進(jìn)行對(duì)比分析，銑削力的大小按實(shí)際加工時(shí)的加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，軸向切深ap為2 mm，徑向切深ae為8 mm，每齒進(jìn)給量fz為0.15 mm/齒)代入到銑削力公式模型中進(jìn)行計(jì)算。表為進(jìn)行銑削力加載后各個(gè)位置(或附近區(qū)域)的最大變形量。

表2 加載銑削力后模擬的最大變形量 mm

從這表2 得出結(jié)論如下:工件尺寸相對(duì)較大，主要支撐相隔太遠(yuǎn)，導(dǎo)致受力不均，容易產(chǎn)生變形;從變形量來(lái)看，變形程度較大的主要是遠(yuǎn)離支撐的邊緣區(qū)域，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)加工要求的精度。

4 改進(jìn)措施和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了解決銑削變形超過(guò)加工精度要求這個(gè)問(wèn)題，考慮采用的輔助支撐。通過(guò)對(duì)上面的變形區(qū)域和工件本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，施加輔助支撐后如圖5 所示。

在相同位置，相同的切削條件下在上述6 個(gè)位置進(jìn)行加載。加載后每個(gè)位置(或附近區(qū)域)的最大變形量如表3 所示。

表3 改進(jìn)后模擬的最大變形量 mm

通過(guò)觀察改進(jìn)前后的變形數(shù)據(jù)及變形云圖可以得出以下結(jié)論:使用了輔助支撐后，各位置(或附近區(qū)域)的整體變形量有所減小，基本能滿足精度要求，特別在變形程度比較大區(qū)域效果更加明顯;在使用了輔助支撐后，加載對(duì)變形的影響只作用在加載區(qū)域的局部范圍，對(duì)其他區(qū)域的影響較小。圖6 為改進(jìn)前后5 位置的變形云圖的對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:在加工中心進(jìn)行施加輔助支撐后的銑削加工，加工參數(shù)同樣為主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，軸向切深ap為2 mm，徑向切深ae為8 mm，每齒進(jìn)給量fz為0.15 mm/齒。用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)工件進(jìn)行變形測(cè)量，如圖7 所示，測(cè)得的各個(gè)位置(或附近區(qū)域)最大變形量見(jiàn)表4(由于模擬得到的是空間變形量，為了便于對(duì)比，表4 中是3 個(gè)坐標(biāo)的變形量轉(zhuǎn)化后得到的)。

表4 改進(jìn)后加工的最大變形量 mm

通過(guò)觀察表4 的數(shù)據(jù)，可以看到實(shí)際加工后，變形很好地被控制在要求的精度范圍內(nèi)，表明改進(jìn)措施有效。

對(duì)比分析表3、表4，可以得到如下結(jié)論:每個(gè)位置實(shí)測(cè)的變形量基本要大于模擬得出的最大變形量，這主要是由于銑削系統(tǒng)振動(dòng)、刀具磨損及工件材料物理性能不均勻性等因素造成;模擬得出的變形量趨勢(shì)和位置和實(shí)測(cè)的大致上吻合，可以認(rèn)為模擬可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的2A12 鋁合金機(jī)油泵蓋銑削加工為例，來(lái)進(jìn)行夾緊力和銑削力作用下的變形有限元模擬，并結(jié)合試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論:

(1)在夾緊力作用下的變形量都是微米量級(jí)的，與實(shí)際要求的加工精度不在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，夾緊力對(duì)精度影響可以忽略不計(jì)，影響加工變形的主要因素是銑削力的大小。

(2)使用了輔助支撐后，各位置(或附近區(qū)域)的整體變形量有所減小，基本能滿足精度要求，特別在變形程度比較大區(qū)域效果更加明顯。

(3)每個(gè)位置實(shí)測(cè)的變形量基本要大于模擬得出的最大變形量，這主要是由于銑削系統(tǒng)振動(dòng)、刀具磨損及工件材料物理性能不均勻性等因素造成。

(4)模擬得出的變形量趨勢(shì)和位置和實(shí)測(cè)的大致上吻合，可以認(rèn)為銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图般娤髯冃斡邢拊M可靠。

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