加工形態(tài)對鋁合金薄壁件加工變形的影響

肖峰，吳運新，龔海，李晨，劉瑤瓊1, ，姬浩

?

加工形態(tài)對鋁合金薄壁件加工變形的影響

肖峰1, 2, 3，吳運新1, 2, 3，龔海1, 2, 3，李晨4，劉瑤瓊1, 4，姬浩4

(1. 中南大學機電工程學院，湖南長沙，410083；2. 中南大學高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083；3. 中南大學有色金屬先進結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙，410083；4. 中國航空工業(yè)集團公司西安飛機設(shè)計研究所，陜西西安，710089)

針對航空鋁合金薄壁件加工變形的問題，采用三維有限元方法，仿真分析加工形態(tài)(材料去除率、構(gòu)件框數(shù)和銑削深度)對鋁合金薄壁件加工變形的影響，并通過銑削實驗對仿真結(jié)果的準確性進行驗證。研究結(jié)果表明：構(gòu)件長度方向翹曲變形量隨著寬度方向材料去除率減小而減??；隨著長度方向材料去除率減小，構(gòu)件寬度方向變形量減小，而長度方向的變形量基本不變；當構(gòu)件材料去除率大于85%時，材料去除率一致，框數(shù)不一致，構(gòu)件底面翹曲變形量基本一致；當材料去除率小于85%時，同材料去除率的多框體變形比單框體的變形大；隨著銑削深度增大，框類件長度和寬度方向變形量都是先增大后減?。荒Ｐ头抡嬗嬎阕冃瘟颗c實驗結(jié)果較吻合，本研究可為控制薄壁件加工變形提供參考。

鋁合金薄壁件；加工形態(tài)；有限元方法；加工變形

隨著航空航天制造業(yè)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁件如整體框、整體梁、整體壁板等[1?2]在飛機零部件中得到廣泛使用。這類零件具有尺寸大﹑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、精度要求高等特點，而整體結(jié)構(gòu)件尺寸大且去除率高，因此，在加工過程中很容易產(chǎn)生翹曲變形。引起翹曲變形的因素比較多，工件的加工形態(tài)是其中之一，在加工構(gòu)件后要增加校正程序，這既降低了生產(chǎn)率，又增加了零件的報廢率，造成了巨大的經(jīng)濟損失[3?5]。因此，研究工件加工形態(tài)(材料去除率、構(gòu)件框數(shù)和銑削深度)對加工變形的影響規(guī)律很有必要。針對加工變形問題，研究人員進行了相關(guān)的仿真和實驗。SEBASTIAN[6]研究了整體結(jié)構(gòu)件加工變形受殘余應(yīng)力釋放的影響；胡權(quán)威等[7]分析了銑削參數(shù)對加工變形的影響，并進行了優(yōu)化研究；YOUNG[8]研究了加工過程中薄壁件內(nèi)產(chǎn)生的加工應(yīng)力及其所產(chǎn)生的加工變形。CUS等[9]研究了刀具的幾何參數(shù)對工件加工變形的影響，通過優(yōu)化刀具幾何參數(shù)來控制工件的變形；張以都等[10]對初始殘余應(yīng)力引起的銑削變形進行了研究；丁子昀等[11]利用有限元分析方法，分析了多點裝夾方案引起的多框件銑削變形的規(guī)律；錢玲楠等[12]研究了走刀路徑和裝夾方案對薄壁框體件的變形的影響。目前，人們對航空鋁合金薄壁件加工變形及其影響因素進行了大量研究，但關(guān)于加工形態(tài)對加工變形影響的研究較少。為此，本文作者通過利用有限元軟件MSC.Marc[13]仿真分析及相關(guān)實驗，研究得到工件加工形態(tài)(材料去除率、構(gòu)件框數(shù)和銑削深度)對加工變形的影響規(guī)律。

1 銑削加工的有限元模型

1.1 有限元模型的建立

采用有限元軟件MSC.Marc對銑削加工進行仿真模擬。用于銑削的7075鋁合金厚板的長×寬×高為450 mm×112 mm×40 mm，材料彈性模量=71 GPa，泊松比=0.33。采用六面體單元劃分網(wǎng)格，利用生死單元法模擬銑削過程。鋁合金厚板經(jīng)過475 ℃、保溫2 h+20 ℃水浴淬火，再進行拉伸率為1%的預(yù)拉伸處理。據(jù)文獻[14?15]，經(jīng)過預(yù)拉伸后，板內(nèi)的殘余應(yīng)力分布見圖1。將該殘余應(yīng)力曲線進行離散和自平衡處理，作為有限元模型的初始殘余應(yīng)力。

1—長應(yīng)力；2—寬應(yīng)力。

1.2 銑削變形的評估參數(shù)

采用撓度作為鋁合金板銑削變形的評估標準。由板上表面或下表面單元沿板厚方向的位移能夠確定厚板變形的撓度Δ。

式中：max為厚度方向的最大位移；min為厚度方向的最小位移。

2 有限元仿真分析

航空鋁合金結(jié)構(gòu)件主要加工成框類件的形式[16]，但用途不同，框類件的形式就不一樣。對框類零件的加工變形進行分析時，已知零件的初始殘余應(yīng)力一樣，尺寸相同，加工形式一致，僅加工形態(tài)不同，下面分別從材料去除率、銑削框數(shù)和銑削深度3個方面分析加工形態(tài)對加工變形的影響。

2.1 材料去除率對加工變形的影響

本文所討論的材料去除率包括長度方向材料去除率和寬度方向材料去除率。長度方向材料去除率定義為：在一條平行于構(gòu)件長度的路徑上，框槽累計長度占構(gòu)件總長的比例。同理，可定義寬度方向材料去除率。材料去除率定義的示意圖如圖2所示。

圖2 材料去除率定義示意圖

2.1.1 寬度方向材料去除率對加工變形的影響

將鋁合金厚板進行銑削，框槽銑削深度為30 mm，平行長度方向的槽壁和肋板厚均為4 mm，平行寬度方向的槽壁厚為10 mm。將厚板分別銑削成單框、3框、6框、9框構(gòu)件，同一構(gòu)件上各個框槽的長度和寬度一樣，多框件只在寬度方向增加框槽。

各組構(gòu)件均無平行寬度方向的肋板，平行長度方向的肋板數(shù)分別為0，2，5和8，則構(gòu)件寬度方向的材料去除率分別為92.86%，85.71%，75 .00%和64.29%。圖3所示為仿真得到的構(gòu)件長度方向翹曲變形結(jié)果。從圖3可見：隨著平行長度方向的肋板數(shù)增多即寬度方向材料去除率逐漸減小，構(gòu)件長度方向的翹曲變形量逐漸減小。因為平行長度方向的肋板數(shù)增多，去除的材料就越少，從而導(dǎo)致構(gòu)件的剛性越大，剛性越大，構(gòu)件的變形就越小。

(a) 長度方向中心線上的垂直位移；(b) 翹曲變形撓度

圖4所示為構(gòu)件寬度方向翹曲變形結(jié)果。從圖4可見：寬度方向材料去除率對構(gòu)件寬度方向的變形影響較小，其變形撓度范圍為0.18~0.22 mm，而且變形撓度隨著寬度方向材料去除率的增大整體呈減小 趨勢。

(a) 寬度方向中心線上的垂直位移；(b) 翹曲變形撓度

2.1.2 長度方向材料去除率對加工變形的影響

將鋁合金厚板進行銑削，框槽銑削深度為30 mm，平行長度方向的槽壁及肋板厚均為4 mm，平行寬度方向的槽壁厚為10 mm，進行4組仿真。將厚板分別加工成單框、2框、4框、5框構(gòu)件，同一構(gòu)件上各個框槽的長度和寬度一樣。多框件只在長度方向增加框槽，4組構(gòu)件均無平行長度方向的肋板。長度方向的材料去除率分別為95.56%，93.33%，88.89%和86.67%。圖5所示為4組構(gòu)件銑削后的翹曲變形。從圖5可見：構(gòu)件長度方向的翹曲變形撓度基本相同，而寬度方向的翹曲變形撓度隨著長度方向材料去除率的增大而增大。

(a) 底面長度方向翹曲變形撓度；(b) 底面寬度方向翹曲變形撓度

2.2 構(gòu)件框數(shù)對加工變形的影響

構(gòu)件平行寬度方向的槽壁厚保持為10 mm，即長度方向的材料去除率為95.56%，銑削深度為30 mm，選取不同的寬度方向材料去除率(94.64%，92.86%，89.29%，85.71%，82.14%和78.57%，對應(yīng)的長度方向槽壁厚分別為3，4，6，8，10和12 mm)，銑成單框件。而在相應(yīng)的多框件中，保持寬度方向銑削率和單框件的一致，僅改變長度方向的肋板數(shù)。表1所示為單框件與多框件的翹曲變形量的對比情況。

從表1可見：當構(gòu)件的材料去除率大于85%時，若材料去除率一致，則不論框數(shù)是多少，構(gòu)件底面的翹曲變形撓度基本相同，誤差很??；當材料去除率小于85%時，多框件的變形比相同材料去除率下單框件的大；而當材料去除率越大時，多框件的變形比同銑削率的單框件的變形略小。

由上述模擬結(jié)果可知：當長度和寬度方向的材料去除率一致時，在一定的材料去除率范圍內(nèi)，不管構(gòu)件被銑成單框件還是多框件，構(gòu)件的底面翹曲變形撓度基本相同。所以，在有限元分析中，保證相同的變形特征，忽略框槽的影響，將多框件簡化成單框件，僅討論材料去除率對加工變形的影響，能夠節(jié)省分析成本。

表1 單框件與多框件的加工變形撓度對比

2.3 銑削深度對加工變形的影響

選取上述有限元模型，沿厚度方向?qū)X板等分為20層，每層厚度為2 mm。銑削出平行寬度方向的槽壁厚為10 mm，平行長度方向的槽壁厚為4 mm的單框槽，逐層銑削，銑削深度從2 mm增加到38 mm。圖6所示為不同厚度方向材料去除率下構(gòu)件底面的翹曲變形結(jié)果。從圖6可見：隨著銑削深度增大，框類件長度方向翹曲變形量先增大后減??；當厚度方向材料去除率為50%左右時，翹曲變形撓度達到最大；當材料去除率為70%~90%時，變形變化較??；而隨著銑削深度增大，框類件寬度方向翹曲變形量逐漸增大；當材料去除率大于80%時，翹曲變形撓度急劇減小。

(a) 長度方向翹曲變形撓度；(b) 寬度方向翹曲變形撓度

3 銑削加工實驗驗證

3.1 實驗過程

將2塊長×寬×高均為1 200 mm×230 mm× 40 mm的7075鋁合金厚板進行475 ℃保溫2 h+20 ℃水浴淬火，接著進行拉伸率為1% 的預(yù)拉伸處理，對鋁板進行線切割，得到5組同尺寸的鋁合金厚板，其長×寬×高均為450 mm×112 mm×40 mm，編號分別為A，B，C，D和E。對5組鋁合金厚板進行銑削加工，工件的幾何參數(shù)如表2所示，5組構(gòu)件銑削后的實物圖如圖7所示。A和B這2組銑削件長度方向材料去除率和銑削深度一樣，僅寬度方向材料去除率不一樣；B和C銑削件寬度方向材料去除率和銑削深度一樣，僅長度方向材料去除率不一樣；B和D銑削件長度方向和寬度方向材料去除率以及銑削深度都一致，僅銑削框數(shù)不一樣；D和E銑削件長度方向和寬度方向材料去除率以及銑削深度都一樣，僅銑削深度不一樣。

銑削加工前后，采用三坐標測量儀測得構(gòu)件底面的輪廓，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到變形。

3.2 實驗結(jié)果

表3所示為5組構(gòu)件銑削后翹曲變形撓度。從表3可知：A構(gòu)件和B構(gòu)件僅寬度方向的材料去除率不同，且A構(gòu)件寬度方向材料去除率比B構(gòu)件的大，銑削后A構(gòu)件長度方向的加工變形撓度比B構(gòu)件的大，而銑削后A構(gòu)件寬度方向的加工變形撓度比B構(gòu)件的略大；B構(gòu)件和C構(gòu)件僅長度方向的材料去除率不同，且B構(gòu)件長度方向材料去除率比C構(gòu)件的大，銑削后B構(gòu)件長度和寬度方向的加工變形撓度都比C構(gòu)件的大；B構(gòu)件和D構(gòu)件僅銑削框數(shù)不一樣，且B構(gòu)件的銑削框數(shù)比D構(gòu)件的多，銑削后B構(gòu)件的長度和寬度方向的加工變形撓度都比D構(gòu)件的小；D構(gòu)件和E構(gòu)件僅銑削深度不一樣，且D構(gòu)件銑削深度大于E構(gòu)件的銑削深度，銑削后，D構(gòu)件長度和寬度方向的加工變形撓度都比E構(gòu)件的大，這與材料去除率、銑削框數(shù)和銑削深度對構(gòu)件加工變形的影響規(guī)律較相符，進一步驗證了所得規(guī)律的準確性。

表2 工件幾何參數(shù)

(a) A；(b) B；(c) C；(d) D；(e) E

表3 不同構(gòu)件銑削后的長寬翹曲變形量

根據(jù)銑削仿真分析結(jié)果，構(gòu)件A，B，C，D 和E的銑削后長度方向翹曲變形撓度仿真結(jié)果分別為0.395，0.316，0.270，0.344和0.334 mm，銑削后寬度方向翹曲變形撓度仿真結(jié)果分別為0.180，0.198，0.062，0.178和0.146 mm。由此可得到構(gòu)件加工變形的仿真值與實測值比較接近，誤差比較小，驗證了建立的仿真模型的有效性及仿真分析結(jié)果的準確性。

4 結(jié)論

1) 構(gòu)件長度方向翹曲變形量隨著寬度方向材料去除率的減小而減小，而寬度方向材料去除率對寬度方向的整體變形影響較小，變形撓度隨著寬度方向材料去除率的增大整體上呈減小趨勢。

2) 構(gòu)件寬度方向翹曲變形量隨著長度方向材料去除率減小而減小，而長度方向的變形量基本保持 一致。

3) 當構(gòu)件材料去除率大于85%時，若材料去除率一致，則框數(shù)量、構(gòu)件底面的翹曲變形量基本一致。當材料去除率小于85%時，材料去除率相同的多框體與單框體相比，多框體的變形反而越大。

4) 框類件長度方向翹曲變形量隨著銑削深度先增大后減小，當厚度方向材料去除率為50%左右時，翹曲變形量達到最大；當材料去除率為70%～90%時，變形量變化較小。寬度方向翹曲變形量隨著剝除量的增大逐漸增大，而當材料去除率大于80%時，變形量急劇減小。

[1] 楊勇, 李劍鋒. 航空整體結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2008(24): 50?54. YANG Yong, LI Jianfeng. Machining technology for aviation integrated structures[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2008(24): 50?54.

[2] LEQUEU P, LASSINEC P, WARNER T, et al. Engineering for the future:weight saving and cost reduction initiative[J]. Aircraft Eng Aerospace Tech, 2001, 73(2): 147?159.

[3] 車現(xiàn)發(fā). 高強度鋁合金航空薄壁件銑削加工變形控制的工藝研究[D]. 南京: 南京航空航天大學機電學院, 2011: 1?7. CHE Xianfa. Milling machining deformation control technology of high-strength aluminum alloy aeronautical thin-wall components[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. College of Mechanics and Electrics, 2011: 1?7.

[4] 畢運波, 柯映林, 董輝躍. 航空鋁合金薄壁件加工變形的有限元仿真與分析[J]. 浙江大學學報(工學版), 2008, 42(3): 397?402. BI Yunbo, KE Yinglin, DONG Huiyue. Finite element simulation and analysis of deformation in machining of aeronautical aluminum alloy thin-walled workpiece[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2008, 42(3): 397?402.

[5] 尚鈺淇. 大型薄壁零件銑削加工變形數(shù)值分析[D]. 大連: 大連理工大學機械工程學院, 2012: 1?4. SHANG Yuqi. Numerical analysis of large thin-walled parts’ deformation in milling process[D]. Dalian: Dalian University of Technology. School of Mechanical Engineering, 2012: 1?4.

[6] SEBASTIAN N. A mathematical model for the estimation of residual stresses in aluminum parts[D]. Washington: Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Washington University, 2005.

[7] 胡權(quán)威, 喬立紅, 張洪偉. 薄壁結(jié)構(gòu)件銑削參數(shù)有限元正交優(yōu)勢分析及優(yōu)化[J]. 機械工程學報, 2013, 49(21): 176?184. HU Quanwei, QIAO Liwei, ZHANG Hongwei. Optimization of thin-walled part milling parameters based on finite element and orthogonal dominance analysis[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(21): 176?184.

[8] YOUNG K A. Machining-induced residual stress and distortion of thin parts[D]. Washington: Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Washington University, 2005: 32?39.

[9] CUS F, ZUPERL U. Approach to optimization of cutting conditions by using artificial neural networks[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 173(3): 281?290.

[10] 張以都, 張洪偉. 航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形有限元數(shù)值仿真[J]. 北京航空航天大學學報, 2009, 35(2): 188?192. ZHANG Yidu, ZHANG Hongwei. Finite element simulation of machining deformation for aeronautical monolithic component[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2009, 35(2): 188?192.

[11] 丁子昀, 左敦穩(wěn), 郭魂, 等. 多點裝夾方案對多框體銑削變形影響的有限元分析[J]. 南京航空航天大學學報, 2009, 41(5): 639?643. DING Ziyun, ZUO Dunwen, GUO Hun, et al. Finite element analysis of multi-point clamping scheme effect on milling deformation of multi-frame components[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics, 2009, 41(5): 639?643.

[12] 錢玲楠, 李蓓智, 楊建國, 等. 薄壁框體零件優(yōu)質(zhì)高效加工工藝方法[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2011, 37(4): 412?415. QIAN Lingnan, LI Beizhi, YANG Jianguo, et al. Processing method for high quality and efficiency manufacturing of thin walled frame component[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2011, 37(4): 412?415.

[13] 馮超, 孫丹丹, 陳火紅. 全新Marc實例教程與常見問題解析[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2012: 323?360. FENG Chao, SUN Dandan, CHEN Huohong. New Marc instance tutorial and common problem resolution[M]. Beijing: China Water & Power Press, 2012: 323?360.

[14] 龔海, 吳運新, 廖凱. 預(yù)拉伸對7075鋁合金厚板殘余應(yīng)力分布的影響[J]. 材料熱處理學報, 2009, 30(6): 201?205. GONG Hai, WU Yunxin, LIAO Kai. Influence of pre-stretching on residual stress distribution in 7075 aluminum alloy thick-plate[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2009, 30(6): 201?205.

[15] 廖凱, 吳運新, 龔海, 等. 鋁合金厚板淬火-預(yù)拉伸應(yīng)力預(yù)測與測試[J]. 中國有色金屬學報, 2010, 20(10): 1901?1906. LIAO Kai, WU Yunxin, GONG Hai, et al. Prediction and measurement of quenching-prestretching stress in aluminum alloy thick plate[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(10): 1901?1906.

[16] 吳紅兵, 柯映林, 劉剛, 等. 航空框類整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形研究[J]. 浙江大學學報(工學版), 2009, 43(3): 546?550. WU Hongbing, KE Yinglin, LIU Gang, et al. Study on milling deformation of aerospace frame monolithic components[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2009, 43(3): 546?550.

(編輯 陳燦華)

Influence of processing form on milling distortion of aluminum alloy thin-walled workpiece

XIAO Feng1, 2, 3, WU Yunxin1, 2, 3, GONG Hai1, 2, 3, LI Chen4, LIU Yaoqiong1, 4, JI Hao4

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China;3. Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Center,Central South University, Changsha 410083, China;4. Avic the First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

In view of the milling deformation of aeronautical thin-walled workpiece, the influence of processing form (material removal rate, milling slot number and milling depth) on milling deformation was simultaneously analyzed by using finite element method. The accuracy of the simulation results was verified by the experiment. The results show that when material removal rate in width direction decreases, the bend deformation in length direction drops. When material removal rate in length direction decreases, the deformation in width direction decreases, but the deformations in length direction are uniform. When material removal rate is greater than 85%, bend deformation is the same at different slot numbers. When material removal rate is less than 85%, the deformations of the multi-frame components are bigger than those of the single-frame components. Both length and width bend deformations increase and then decrease with the increase of the milling depth. The simulation results coincide with the experimental results. The study can provide useful references for controlling milling deformation of the thin-walled workpieces.

aluminum alloy thin-walled workpiece; processing form; finite element method; milling deformation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.013

TG501；V261

A

1672?7207(2017)02?0355?06

2016?02?10；

2016?04?24

國家自然科學基金資助項目(51405520，51327902)；國家國際科技合作專項(2014DFA51250)(Projects(51405520, 51327902) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014DFA51250) supported by the International Science & Technology Cooperation Program of China)

龔海，講師，碩士生導(dǎo)師，從事航空鋁材殘余應(yīng)力及加工變形研究；E-mail：gonghai@csu.edu.cn