鋁合金薄壁構(gòu)件數(shù)控加工有限元分析

于春濤 劉國(guó)平

（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫，214083）

0 引言

輕質(zhì)合金材料是推進(jìn)我國(guó)國(guó)防裝備體系及航空航天產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)、可靠性高和成本低廉的基石。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，隨著我國(guó)高新技術(shù)的崛起和國(guó)防裝備工業(yè)的快速崛起，對(duì)當(dāng)下流行的輕量合金材料的加工性能和生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)一步提高，隨之也拓展出新的發(fā)展前景。尤其是鋁合金材料在航空航天、船舶、核工業(yè)及兵器工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景及不可替代的地位，因此鋁合金的加工技術(shù)已然成為制約國(guó)防技術(shù)進(jìn)步的主導(dǎo)因素[1]。本文主要根據(jù)航空薄壁構(gòu)件異構(gòu)特點(diǎn)和諸多實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)有限元分析方法進(jìn)一步總結(jié)薄壁構(gòu)件切削加工難點(diǎn)，概述此類零件加工變形控制方法。

圖1 某航空薄壁構(gòu)件

內(nèi)部殘余應(yīng)力、夾緊力及切削力彼此綜合作用是造成薄壁構(gòu)件變形的主要成因。特別針對(duì)于薄壁框架類零件，工件本身屬超高面厚比零件且銑削表面時(shí)銑刀常處于滿刃切削狀態(tài)，零件整體材料去除率大，所以上述因素導(dǎo)致加工變形的效果更為明顯。本文在研究基材內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和圓柱立銑刀銑削仿真的支撐下，展開(kāi)對(duì)特定薄壁構(gòu)件的切削加工過(guò)程有限元模擬，以此來(lái)了解工件成型過(guò)程中動(dòng)態(tài)變形情況，并分析其規(guī)律，掌握薄壁構(gòu)件數(shù)控加工變形成因。

圖2 所設(shè)計(jì)工件的幾何模型

1 幾何建模

本文主要對(duì)某航空電子機(jī)箱部件產(chǎn)品作為原型研究對(duì)象，如圖1所示為其組件之一系典型的薄壁框架類構(gòu)件，其形貌特點(diǎn)為板面尺寸較為規(guī)整，總體高度與長(zhǎng)（寬）尺寸之比小于1:10屬超高面厚比零件，其內(nèi)部有矩形盲腔和通腔結(jié)構(gòu)。

本文對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化以便于后續(xù)仿真計(jì)算，設(shè)定工件總厚度為4（mm）、長(zhǎng)100（mm）、寬50(mm)、1處46×46（mm）深2（mm）矩形盲腔及1處46×46（mm）矩形通腔。

圖3 X方向應(yīng)力狀態(tài)

2 銑削加工過(guò)程的有限元仿真

2.1 材料初始應(yīng)力的施加

影響薄壁構(gòu)件加工變形的主要因素之一就是工件毛坯的初始應(yīng)力分布狀態(tài)，所以在進(jìn)行整體加工模擬仿真之前要將其毛坯初始應(yīng)力值附加到三維有限元模型上。將鋁合金預(yù)拉伸板材殘余應(yīng)力數(shù)值施加到工件預(yù)加工毛坯模型中，遂得到兩個(gè)方向的應(yīng)力狀態(tài)云圖。如圖3所示為毛坯X方向的應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 在仿真模型上附加邊界條件

2.2 有限元仿真流程

首先以工件底面為主基準(zhǔn)面，并附加對(duì)該面空間六個(gè)自由度進(jìn)行限制；再者將工件與夾具接觸面視為次基準(zhǔn)面，對(duì)該面Y方向的平面移動(dòng)和X、Z的空間轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行限制；最后將夾緊力1250N按其實(shí)際作用面積轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)施加到次基準(zhǔn)面上。

如下圖4所示為在仿真模型上附加邊界條件約束后的狀態(tài)，其中設(shè)定一對(duì)同型刀具適宜兩處腔體的模擬。

有限元仿真按照工件具體工藝流程進(jìn)行，仿真流程如圖5所示。

圖5 整個(gè)仿真模擬過(guò)程示意圖

圖6 完成粗加工后瞬時(shí)應(yīng)力狀態(tài)

圖7 完成粗加工后應(yīng)力平衡狀態(tài)

圖8 工步1加工完成后的變形狀態(tài)

圖9 工步2加工完成后的變形狀態(tài)

圖10 最終零件加工變形狀態(tài)直觀圖

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 工件各工步應(yīng)力狀態(tài)

在完成1工步的加工后工件整體應(yīng)力分布狀態(tài)如圖6所示，薄壁構(gòu)件剛加工后其內(nèi)部應(yīng)力情況暫處于不平衡狀態(tài)，在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)采用的求解器是動(dòng)態(tài)的，雖能夠精確仿真出工件完整切削加工過(guò)程，然而所體現(xiàn)出的應(yīng)力變化狀態(tài)只局限于人為設(shè)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，而并未將工件整體應(yīng)力狀態(tài)是否達(dá)到平衡作為初始條件。因此可由圖6所示，工件內(nèi)部仍存在較高的應(yīng)力數(shù)值。

綜上問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上尚需對(duì)薄壁構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力平衡狀態(tài)下的計(jì)算，將仿真之初的模型所有約束的邊界條件移除，進(jìn)行特定的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，獲取工件最終的加工變形狀態(tài)。運(yùn)用靜力學(xué)分析就忽略了時(shí)間疊加周期而直接求解工件最終狀態(tài)的變形情況，如圖7所示較之前者工件應(yīng)力顯著降低。

2.3.2 仿真結(jié)果分析

工件粗加工完成后變形情況如圖8可見(jiàn)，為使直觀變形明顯，對(duì)其變形效果放大30倍。工件整體沿對(duì)角線方向產(chǎn)生翹曲變形，是翹曲和扭轉(zhuǎn)變形共同作用的結(jié)果，從中可知工件最終變形量σmax為0.2752mm。

工件精加工完成后變形情況如圖9可見(jiàn)，較之工步1而言變形更為復(fù)雜，并無(wú)直觀規(guī)則性變化，工件整體發(fā)生變形的最大和最小極端值均處于盲腔周邊，可見(jiàn)最終變形量σmax為0.1745mm。對(duì)于通腔端而言其變形情況更無(wú)規(guī)則性變化，由于材料去除量大，自身剛度低，所產(chǎn)生變形時(shí)各因素耦合的結(jié)果。

3 加工實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 薄壁構(gòu)件的加工工藝

圖11 樣件毛坯示意圖

圖12 工件粗加工示意圖

為保證本次實(shí)驗(yàn)的有效性，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[2]，薄壁構(gòu)件坯料取材時(shí)從原始板材中性面區(qū)域內(nèi)截取可最大限度的降低殘余應(yīng)力對(duì)后續(xù)的加工變形影響，此種取材方式常用于薄壁構(gòu)件毛坯取材過(guò)程中。本次實(shí)驗(yàn)遵循上述取材原則從坯料中心部位截取一定厚度基材，樣件毛坯示意圖如圖11所示。

在上述取材步驟的基礎(chǔ)上，對(duì)坯料進(jìn)行粗加工，對(duì)稱去除兩側(cè)余量以保證最終工件外形尺寸，采用虎鉗裝夾方式在萬(wàn)能升降臺(tái)銑床三刃圓盤銑刀進(jìn)行銑削，采用雙面對(duì)稱加工方式去除厚度余量，具體示意圖見(jiàn)圖12。為使工件變形達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，去除過(guò)程中加工應(yīng)力影響，每次銑削去除余量必須控制在0.5（mm）以內(nèi)，并采用高速銑削方式[3]。

由于裝夾特點(diǎn)直接影響薄壁構(gòu)件最終的加工質(zhì)量，針對(duì)該類工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工件形狀較為規(guī)整，且具有一定的厚度，故采用虎鉗裝夾方式進(jìn)行加工。以已加工表面為基準(zhǔn)，用扳手在夾具上施加約5N·m的扭矩，樣件的裝夾方式如圖13所示。

通用初始夾緊力計(jì)算公式為：

式中：

根據(jù)上式可計(jì)算得出夾具作用在工件上的夾持力約為1250N。

在制定加工工件腔體工藝過(guò)程中，為準(zhǔn)確驗(yàn)證實(shí)際加工參數(shù)及走刀路徑的正確性。事前采用UG后置處理加工模擬程序在實(shí)際生產(chǎn)用B300立式加工中心上進(jìn)行整個(gè)加工過(guò)程模擬，各項(xiàng)參數(shù)確定后再付諸實(shí)際生產(chǎn)。加工模擬示意圖見(jiàn)圖14。在薄壁構(gòu)件實(shí)際加工過(guò)程中，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，兩個(gè)腔體加工分兩個(gè)工步進(jìn)行，采用環(huán)形走刀路徑銑削，其加工過(guò)程如圖15所示，走刀軌跡及銑削用量分別見(jiàn)圖16、17及表1所示。

圖13 樣件的裝夾方式

圖15 腔體加工過(guò)程示意圖

圖14 加工過(guò)程模擬示意圖

圖16 在UG平臺(tái)上模擬加工薄壁件走刀路徑

3.2 加工變形的三坐標(biāo)檢測(cè)

根據(jù)工件的形貌特點(diǎn)制定相應(yīng)的三坐標(biāo)檢驗(yàn)策略，為使測(cè)量數(shù)據(jù)可較完整地表征出工件的變形情況。我們按照下圖18所示已選定的測(cè)量方位對(duì)工件最終成型后的變形情況開(kāi)展測(cè)量評(píng)估工作，并對(duì)各檢測(cè)要素通過(guò)統(tǒng)籌編碼以便識(shí)別，具體測(cè)量數(shù)據(jù)如圖19所示。

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果可獲取工件在各工步加工后的整體變形趨勢(shì)，在完成1工步粗加工后工件的變形情況如圖20所示，其最大變形量為0.3221（mm）；在完成2工步精加工后工件變形情況如圖21所示，其最大變形量為0.1908（mm）。

從總體趨勢(shì)上來(lái)看，在完成各工步后工件均產(chǎn)生了一定的變形。由于工件在粗加工過(guò)程中材料去除量較小，剩余部分整體剛度較大，故產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)和翹曲耦合的變形結(jié)果。隨著加工的持續(xù)進(jìn)行，零件整體剛度銳減，故導(dǎo)致伴隨加工的持續(xù)進(jìn)行材料的去除和工件逐漸減小的剛度，以及所造成的不均勻的效果越顯著的內(nèi)部應(yīng)力，因此變形狀態(tài)呈現(xiàn)出更加不規(guī)則畸變，縱觀整體變形狀態(tài)呈起伏趨勢(shì)。兩工步比對(duì)觀察，通腔一端較之盲腔一端變形較為明顯，因?yàn)橥ㄇ徊糠謩偠缺让で徊糠值?，在材料去除過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力與切削力耦合作用效果更為明顯。但由上述表格數(shù)據(jù)可知，工步2最終產(chǎn)生的變形量（0.1908mm）要小于工步1最終產(chǎn)生的變形量（0.3221mm）。此項(xiàng)事實(shí)說(shuō)明了完成工步2后工件的內(nèi)部應(yīng)力釋放的較為充分，現(xiàn)存于工件內(nèi)的應(yīng)力明顯減小，使得工步1中所產(chǎn)生的變形得以定量回復(fù)，但直觀可見(jiàn)后者變形情況較之前者更為復(fù)雜。

圖17 各工步走刀路徑

表1 腔體加工銑削參數(shù)

圖18 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所測(cè)實(shí)際點(diǎn)位

圖20 完成工步1后的實(shí)測(cè)結(jié)果圖21完成工步2后的實(shí)測(cè)結(jié)果

提取相應(yīng)有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，并與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)。如圖22所示兩者具有很好的一致性。

圖22完成工步1后的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

圖19 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所測(cè)各點(diǎn)坐標(biāo)值

圖20 完成工步1后的實(shí)測(cè)結(jié)果

圖21 完成工步2后的實(shí)測(cè)結(jié)果

圖22 完成工步1后的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

圖23 完成工步2后的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

遵循前法，提取模擬仿真中與三坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位相一致的變形量數(shù)據(jù)，并與之兩者比對(duì)，所得結(jié)果如圖23所示?？梢?jiàn)工件兩端角處仿真數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值相差較大，但縱觀工件整體變形趨勢(shì)基本一致，能夠表征出工件加工變形的復(fù)雜狀態(tài)，可視為仿真結(jié)果具有可信性。

4 總結(jié)

本文選定工件尺寸特性并制定相應(yīng)的加工工藝流程，依照特定實(shí)驗(yàn)工件參數(shù)建立了有限元仿真模型，獲取工件毛坯內(nèi)部初始應(yīng)力狀態(tài)，并分析施加有限元邊界約束條件來(lái)進(jìn)行整個(gè)銑削過(guò)程的有限元仿真計(jì)算，最終獲得工件的加工變形狀態(tài)。在綜合考慮殘余應(yīng)力、銑削力和夾緊力等因素耦合作用[5]下預(yù)測(cè)分析工件加工變形的方法。此法可完美仿真出薄壁構(gòu)件從坯料到成型的加工全過(guò)程，并通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比分析可知兩者具有很好的一致性。可做到對(duì)薄壁構(gòu)件加工前變形情況的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這也為薄壁構(gòu)件的加工變形的矯正及控制提供了新的途徑。