基于數值模擬的航天鎂合金薄壁零件加工工藝研究

關洋 郭丙結

摘 要：航天鎂合金因其比強度高、減振性能好、質量輕等優(yōu)點廣泛應用在各個航天領域，由于材料結構剛性差，加工中受載截面變形大，造成鎂合金薄壁零件壁厚不均勻和尺寸超差。本文通過Ansys建立三維有限元模型并對其進行受力分析，提出合理的銑削參數來優(yōu)化加工工藝。

關鍵詞：鎂合金；有限元分析；加工工藝

1 引言

鎂合金薄壁零件是航空工業(yè)產品中常見的一類零件，其零件特點是外形配合要求比較高、零件長度尺寸相比于截面尺寸大、剛性較差、精度要求高。零件在切削加工中由于切削力的作用產生“讓刀現象”，導致零件加工質量不合格。針對鎂合金薄壁零件加工易變性特點，利用有限元方法對零件模型進行數值模擬變形分析，提出合理的銑削參數，最終優(yōu)化機械加工工藝。

2 鎂合金薄壁零件的加工誤差

機床精度不高、刀具磨損變形、加工過程零件熱變形、加工環(huán)境溫度因素等都可以造成零件的加工誤差。由于鎂合金薄壁零件截面尺寸很小使其剛度不足，在加工中受到徑向切削力導致的變形是影響形位公差的主要原因1。理論上，使用雙刃立銑刀銑削平面時，應該切除ABCD陰影部分，如圖1所示。但是由于切削力的作用，使得材料發(fā)生復雜的彈塑性變形，零件上表面對銑削面有力的作用，變形量可以忽略，零件下表面為開口，沒有對銑削面產生力的作用，導致B，C兩點分別移到B2，C2兩點，則雙刃立銑刀僅切除A B2CD陰影部分，走刀過后零件彈性恢復，殘留的C C2D部分材料未被切除，造成零件成“鼓”形。

3有限元分析

以雙刃立銑刀銑削鎂合金薄壁零件為例，由于刀具每秒轉數遠大于刀具進給速度，可以假設在某一進給位置，刀具軸線保持不變，而刀齒沿著加工表面由左向右移動，直到把加工余量切除，在切削過程的某個瞬間，對薄壁零件截面施加的力可以認為是沿螺旋線方向動態(tài)變化的切削力2。在實際加工中由于上下銑削厚度不同，在銑削中一次進給加工整個表面情況下，鎂合金薄壁零件上表面為固定端面變形小，所受載荷大，零件下表面因為沒有約束，發(fā)生彈塑變形導致切削量減少，從而引起切削力下降。所以，動態(tài)銑削力可近似梯形分布。鎂合金密度為1.73g/cm3，泊松比0.35，彈性模量4480MPa，比強度高于鋼，比剛度接近鋼，銑削加工中，刀具轉數為250r/min，走刀量0.1mm/r，進刀量0.1mm/次，零件厚度為2mm，梯形分布力的合力為750N，如圖2所示，零件下端面變形量最大，而上端面變形量幾乎為零，這是因為施加裝夾約束和薄板的支撐才出現此類狀況。

4工藝優(yōu)化方案

4.1零件特點及工藝難點

零件材料為航空鎂合金，零件整體壁厚不超過2.5mm，零件最薄出僅為2mm，零件槽口內部有兩處裝配凸臺，并且有多條加強筋。難點一，零件機械加工前毛坯料為鑄件，大端面為全封閉式，這樣就必須對大端面進行銑削加工，由于內應力釋放造成大端面垂直度及平行度狀態(tài)較差。難點二，零件外形輪廓和局部內腔需要加工，就需要確定加工基準面，基準 面的如何選取及其形位公差高低直接影響零件的加工質量。

4.2加工工藝研究

4.2.1裝夾方式及工藝方法

由于零件整體結構類似是薄壁U形件，U形口朝下裝夾零件時，零件受力發(fā)生復雜彈塑變形，下部分出現“讓刀現象”，導致零件少切。故考慮增加工藝塊，如圖3所示，避免零件上部分受到裝夾約束而增大變形。零件下部分受到工藝塊的裝夾約束，零件下部分的變形量減少。增加工藝塊還有利于零件的裝夾方便，并能確保多次裝夾時，零件的相對位置不發(fā)生大的偏移。

工藝塊加工質量直接影響零件的加工質量。首先，找平型腔兩側非加工兩處凸臺使其等高，劃出3*4凸臺中心線；其次，以凸臺中心線為基準劃線，保證兩側工藝塊厚度方向兩個尺寸，利用銑床光出即可，保證平面度不大于0.05；最后，銑工藝塊寬度方向外形，保證寬度方向與中心對稱。

零件大端面要進行開端口，由于銑削過后零件內應力釋放，導致零件發(fā)生變形。首先，銑封閉槽口A，槽口寬度分成粗銑和半精銑兩道工序，在半精銑后單邊留余量0.1；其次，把封閉槽口銑成開檔，保證單邊余量0.1，松開裝夾在工藝塊上的壓板，靜放24h后重新裝夾還原；最后，精銑槽口寬度。

4.2.2切削用量

普通速度銑削加工時，粗加工主要是以提高材料切削率為主，一般軸向銑削深度ap，縱向銑削深度ac和每齒進給量fz比較大；而精加工以達到加工精度與表面質量為主，切削速度vc更高。由于要考慮刀具本身剛性、刀具加工時震顫及切削力對零件變形的影響，選擇vc=1100m/min加工零件，以便減少加工變形、提高加工質量3。

5結束語

運用Ansys有限元數值分析方法，對航空鎂合金薄壁零件切削變形進行模擬仿真，分析了零件變形的主要趨勢和變形原因。通過對工藝優(yōu)化，選擇合理的零件加工工藝路線和裝夾方式，選用合適切削速度，可以將大部分讓刀殘余材料切除，從而達到高效、優(yōu)質加工航天鎂合金薄壁零件的目的。

參考文獻：

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