輔助支撐對航空接頭薄壁件加工變形的控制*

于 金，高彥梁，朱秀峰

（沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136）

輔助支撐對航空接頭薄壁件加工變形的控制*

于 金，高彥梁，朱秀峰

（沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136）

針對航空接頭薄壁件存在的加工變形問題，提出了輔助支撐提高工件剛度的方法，實現對航空接頭類薄壁件加工變形的控制。運用有限元法，在有、無輔助支撐的兩種情況下，對典型接頭薄壁件銑削加工過程進行模擬仿真，并獲得加工后零件的變形數據。通過對比得知輔助支撐能夠有效的改善薄壁件的加工變形，對進一步研究航空接頭類薄壁件銑削加工變形具有指導意義。

接頭薄壁件；輔助支撐；加工變形；有限元

0 引言

航空接頭薄壁件具有壁薄、尺寸大、相對剛度低、表面精度要求高等特點，實踐表明，在航空接頭結構件的加工過程中由于薄壁件的剛度較差，在切削力、切削熱以及夾具夾緊力的作用下易引起加工變形。面對上述突出問題，國外學者Svetan等［1］分析了切削力對弱剛性復雜結構零件變形的影響，并進行了有限元仿真研究；Jer-Shyong Tsai等［2］研究了采用填充物輔助支承來減小工件因剛度不足引起的加工變形問題。國內方面，賈廣杰［3］采用石蠟填充技術，改變薄壁殼體固有頻率，提高零件剛度；劉璇、鐘康民等［4］研究了基于相變材料的柔性夾具，但由于材料成本較高，實施困難，目前處于研究階段。目前研究主要針對薄壁件的振動特性和提高薄壁零件剛度的方法，缺少針對實際零件采用具體填充材料進行應用的數值模擬和效果分析。

本文利用擅長處理動態(tài)非線性問題的有限元軟件ABAQUS6.11建立分析模型，采用與航空鋁合金結合強度和抗壓強度都較強的石蠟基填充材料作為輔助支撐，研究了在加工過程中輔助支撐對該薄壁件中間壁板加工變形的影響，數值模擬實驗結論對今后的研究和實際應用有一定的指導意義。

1 銑削加工有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

本文研究零件如圖1所示，工件尺寸：壁厚2mm，長60mm，高7mm，長邊寬30mm，短邊寬19.5mm，工件材料為高強度航空鋁合金7050-T7451，材料密度2820kg/m3，彈性模量為71.7GPa，泊松比為0.33，工件單元類型選用考慮熱效應藕合的六面體8節(jié)點三維實體的縮減積分單元C3D8RT。對A型腔添加石蠟基填充材料作為輔助支撐材料［5］，材料密度為900kg/m3，彈性模量為812MPa。刀具采用四齒平面立銑刀，實體模型如圖2，刀具材料選用硬質合金刀具YG8，材料屬性如表1所示［6］。

表1 硬質合金刀具YG8的材料屬性

圖1 工件實體模型

圖2 刀具實體模型

1.2 材料的本構模型

專家學者研究了多種本構模型來描述金屬材料的相關動態(tài)響應，但在眾多的金屬材料本構模型中Jonson-Cook（J-C）模型在動力仿真軟件ABAQUS/explicit中得到廣泛應用［7-10］。

大多數金屬材料的塑性變形過程均可用塑性本構模型來表示，這種本構模型主要考慮材料的應變率效應和溫度效應。由于模型材料參數的獲取比較容易，被廣泛地應用于金屬材料的切削模擬仿真過程中。本文選用Jonson-Cook本構模型來描述銑削模擬過程，JC準則具體表述為

1.3 切削與工件的分離準則

本文切屑的分離準則為剪切失效準則（Shear Criterion），假設該失效模型在失效時的等效塑性應變?yōu)棣?，是由剪切應變率θs與應變率˙ε組成的函數

式中：剪切應變率θs=（1-ksη）/φ，其中φ=τmaxσeq，τmax為最大剪應力；反映的是受雙向軸力作用下的拉、壓變形所表示的兩種等效塑性應變；同樣和反映的是受雙向軸力作用下的拉、壓變形所表示的兩種剪切應力率；通過試驗可知在動態(tài)應變率為250 s-1時：

1.4 接觸設置

本文采用ABAQUS6.11的Interaction模塊中的通用接觸（General contact），該接觸型態(tài)在建模時簡單方便，對接觸面的類型限制很少。在ABAQUS/Explicit中選用約束增強算法，運用該算法單元之間的接觸在分析計算過程中出現過盈現象時，可通過所設定的接觸算法修正正加速的值，最終獲得增強接觸約束的更準確構型。

在工件與刀具之間構建準確的摩擦接觸參數對銑削加工模擬的精度非常重要。本文綜合考慮工件與刀具之間的接觸關系，將接觸摩擦系數設置為0.3。

2 三維銑削有限元模擬計算

為分析輔助支撐對加工變形的影響，本文對A型腔內添加輔助支撐材料和不填加輔助支撐材料兩種情況進行了數值模擬計算，圖3和圖4為計算結果變形云圖。為了清晰的表達中間壁板變形情況，在工件A型腔內的中間壁板側面z=6位置處取40個節(jié)點，形成路徑Path-1，在工件A型腔內的中間壁板側面y=12位置處取10個節(jié)點，形成路徑Path-2（如圖5所示）。通過路徑Path-1、Path-2上各節(jié)點的位移來計算中間壁板的變形情況。圖6～圖9為A腔有、無輔助支撐情況下，路徑Path-1和Path-2上各節(jié)點的變形圖。

圖3 無輔助支撐位移云圖

圖4 有輔助支撐位移云圖

圖5 節(jié)點路徑圖

由圖6和圖7可見，無輔助支撐情況下，Path-1上所有節(jié)點變形量的變化范圍為0～0.03mm，變化幅度大，切削過程不穩(wěn)定；有輔助支撐情況下，Path-1上所有節(jié)點變形量的變化范圍為0～0.015mm，變化幅度小，切削過程穩(wěn)定。這是因為在沒有輔助支撐時，隨著工件材料的去除，工件的剛性逐漸變弱，由圖6可看出中間壁板先加工區(qū)域變形量穩(wěn)定，后加工區(qū)域波動較大，變形量的最大值發(fā)生在中間壁板的加工后期；而在有輔助支撐的情況下，增加了工件的剛度，使得剛性基本上一致，不僅使加工過程更加平穩(wěn)也控制了工件的變形。綜合對比兩種情況可知，在有輔助支撐情況下工件的變形量要顯著小于無輔助支撐情況下工件的變形量，這是因為輔助支撐大大增加了工件的剛性，工件讓刀現象明顯減弱，加工過程中振動減少，使切削過程更加平穩(wěn)。

圖6 無輔助支撐情況下Path-1變形情況

圖7 有輔助支撐情況下Path-1變形情況

由圖8和圖9中可見，無輔助支撐情況下，路徑Path-2的變形量為0～0.2mm，變化趨勢是從最大值迅速下降，然后趨于平穩(wěn)；而在有輔助支撐情況下，路徑Path-2的變形量為0～0.025mm，變化范圍較小，且整個變形過程比較平穩(wěn)。這是由于無輔助支撐情況下，工件根部剛性要顯著大于工件頂部的剛性；而有輔助支撐情況下，工件從根部到頂部的剛性相對穩(wěn)定、變化不大。綜合對比可知，輔助支撐大大增加了工件的剛性，且剛度值相對穩(wěn)定，無論在Z方向還是在Y方向上，輔助支撐的應用都使工件變形量顯著小于無輔助支撐工件的變形量，且變形量變化范圍小、加工穩(wěn)定。

圖8 無輔助支撐情況下Path-2的變形情況

圖9 有輔助支撐情況下Path-2的變形情況

3 結論

本文應用商業(yè)軟件Abaqus6.11對航空鋁合金材料7050-T7451的銑削加工過程進行了數值計算，獲得了某航空接頭薄壁件在有、無輔助支撐情況下工件的加工變形數據。通過兩種情況四組變形數據的對比分析得知，在Path-1路徑上，無輔助支撐中間壁板的平均變形量是有輔助支撐的2倍；在Path-2路徑上，無輔助支撐的變形量是有輔助支撐的4.9倍。數值模擬實驗表明輔助支撐的應用是控制航空接頭類薄壁件加工變形的有效工藝方法。本文所建立的有限元分析模型、分離準則和接觸設置等關鍵技術的處理對今后航空薄璧加工中變形的控制有一定的參考意義。

［1］R Svetan，W Huang，W Liu.Modeling and simul ation environment for machining of low-rigidity comp onents［J］. Journal of Materials Processing Technology.2004，（153-154）：67-73.

［2］Jer-Shyong Tsai，Chung-Li Liao.Finite-element mo deling of static surface errors in the peripheral milling of thin-walled workpieces［J］.Journal of Material Proc essing Technology，1999，（94）：235-246.

［3］賈廣杰.薄壁殼體石蠟填充高速加工方法［J］.新技術新工藝，2009（3）：4-6.

［4］李尚政，劉宏.弱剛度件加固裝夾技術研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2003（11）：3-5.

［5］高彪.石蠟基填充材料輔助支撐欽合金薄壁件加工工藝研究［D］.濟南：山東大學，2013.

［6］杜國臣.硬質合金刀具車削Ti6Al4V欽合金試驗研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2013（5）：36-38.

［7］曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［8］Johnson GR，Cook WH.A constitutive model and data for metals subjected to large strains，high strain rates and High temperature［A］.Proceedings of the7th International Symposium on Ballistics［C］.The Hague Netherlands，1983.

［9］Khan AS，Liang R.Behavior of three BCC metal ov er a wide range of strain rates and temperatures：Experi ments and modeling［J］.International Journal of Plasticity，1999，15：1089-1109.

［10］Zerilli F J，Armstrong RW.Dislocation-mechanics-based constitutive relations for material dynamics cal culations［J］. Journal of Applied Physics，1987，61（5）：18 61-1825.

（編輯 趙蓉）

Auxiliary Support for the Control of Machining Deformation of an Aviation Joint Thin-walled Parts

YU Jin，GAO Yan-liang，ZHU Xiu-feng
（School of Mechatronic Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

According to the existing the machining deformation of aviation joint thin-walled parts，proposes the methods of auxiliary support improves stiffness to implement the control of machining deformation of aviation joint thin-walled parts.In both cases with and with out auxiliary support，using the finite element method to simulate the typical joint thin-walled parts milling process，and obtain the deformation data of processed parts.From the comparison，it can be concluded that auxiliary support can improve the machining deformation of thin-walled parts effectively，and provide help to further research on the deformation of aviation joint thin-walled parts.

joint thin-walled parts；auxiliary support；machining deformation；finite element

TH164；TG506

A

1001-2265（2015）10-0138-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.038

2014-11-29；

2014-12-31

遼寧省自然科學基金（2014024006）

于金（1961—），男，遼寧大連人，沈陽航空航天大學教授，碩士，研究方向為數控加工、機電一體化，（E-mail）yujin@sau.edu.cn。