對(duì)基于ABAQUS的薄壁件多點(diǎn)柔性加工變形的研究

王騰飛

摘 要：本文簡(jiǎn)要概述了多點(diǎn)柔性的研究基礎(chǔ)，介紹了有限元軟件的建模過程，并且借助有限元軟件，研究薄壁件在實(shí)際加工過程的變形影響。分別從支撐單元密度、單元之間距離、夾持力三個(gè)角度展開研究，總結(jié)了薄壁件的最優(yōu)布局，是以占用最少資源、優(yōu)化調(diào)配時(shí)間為基礎(chǔ)展開的裝夾布局。

關(guān)鍵詞：ABAQUS;薄壁件;加工變形

大型航空器的薄壁件，具有尺寸大、韌性低、加工精度細(xì)致、工藝性能不佳等特征，極易產(chǎn)生加工變形問題;在裝夾力、切削力的作用下，薄壁件的加工變形問題尤為突出。航空器零件的加工精細(xì)工藝，關(guān)乎著航空器后期的裝配流程，因此，控制薄壁件加工變形問題，成為當(dāng)前亟需解決的工藝性能問題。

1 建模

1.1 多點(diǎn)柔性的研究理念

柔性工藝?yán)砟顡碛歇?dú)立的工裝系統(tǒng)，包含：X向?qū)к?、工件、底座、Y向?qū)к?、真空吸盤、氣路開關(guān)、Z向支柱、真空發(fā)生器、空氣壓縮機(jī)等。此系統(tǒng)是綜合利用真空發(fā)生器，采取定位夾緊薄壁件的方式，結(jié)合作業(yè)需求，開展支撐單元的方陣陣列布置，陣列布置應(yīng)滿足m×n配置。其中m為X向?qū)к壣现螁卧膫€(gè)數(shù)，應(yīng)滿足在X軸移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)條件;n為Y向?qū)к壣系膭?dòng)梁數(shù)，應(yīng)符合在Y軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;m與n之間的關(guān)系，應(yīng)理解為：每個(gè)動(dòng)梁n1擁有支撐單元m個(gè)。通過簡(jiǎn)化模型可知，當(dāng)m值不小于8時(shí)，滿足薄壁件的工藝需求。

1.2 ABAQUS建模

有限元模型，以航空器機(jī)身艙門零件布局為參考，展開薄壁件加工變形分析。有限元模型的分析優(yōu)勢(shì)：有利于簡(jiǎn)化航空器薄壁件柔性夾具布局結(jié)構(gòu)的分析流程，開展具有非線性的動(dòng)態(tài)分析，研究航空器薄壁件的變形規(guī)律，建立以多點(diǎn)柔性為實(shí)體支撐的有限元分析模型，設(shè)置薄壁件加工變形的測(cè)量線，研究薄壁件在加工過程中的等效塑性變化規(guī)律。

2 基于有限元模型分析多點(diǎn)柔性變化規(guī)律

2.1 以單元密度作為控制變量

綜合參考控制變量單元密度，包含的動(dòng)態(tài)因素有：銑削工藝、吸盤吸附能力;配置支撐單元的布局結(jié)構(gòu)，共設(shè)置9組多點(diǎn)柔性布局，分別為：①：3×3，②：3×4，③：3×5，④：3×6，⑤：3×7，⑥：4×5，⑦：4×6，⑧：4×7，⑨：4×8。當(dāng)航空器的薄壁件支撐單元密度p值為0.2mm時(shí)，9組布局的柔性加工變形數(shù)值分別為：1、1.8、0.6、0.5、0.5、0.6、0.5、0.4、0.6;當(dāng)p=0.4mm時(shí)，9組變形數(shù)據(jù)分別為：3、1.8、0.7、0.6、0.5、0.6、0.5、0.4、0.7;當(dāng)p=0.6mm，9組加工變形數(shù)據(jù)分別為：3.6、2、0.8、0.7、0.6、0.7、0.5、0.6、0.8;其中1取值來自X向?qū)к墸?取值為Y向?qū)к墆1，3取值為Y向?qū)к墆2[1]。

通過研究多點(diǎn)柔性的加工變形規(guī)律，由數(shù)據(jù)可知，以X向?qū)к墳榛A(chǔ)，p值增大時(shí)，變形數(shù)據(jù)大幅度變化，適用于支撐單元密度較小的設(shè)置方式，在布局結(jié)構(gòu)第四組開始，加工變形趨勢(shì)逐漸穩(wěn)定。因此，支撐單元密度p值應(yīng)不大于0.2，以優(yōu)化配置、調(diào)整調(diào)配時(shí)間為原則，選擇薄壁件加工變形較小的布局結(jié)構(gòu)，以第四組3×6、第五組3×7、第七組4×6的布局配置為宜。

2.2 以單元間距作為研究對(duì)象

以第四組布局3×6為基礎(chǔ)，展開單元間距的影響分析;布局參數(shù)：d=x1=y1=50，單位為mm，此時(shí)薄壁件加工變形影響程度最小。結(jié)合零件整體變形情況可知：零件周邊變形程度較大、高達(dá)0.37mm，采取不同單元之間的距離，研究其對(duì)薄壁件加工變形的影響，并且保障吸盤有效性，確保零件單元之間不產(chǎn)生相互關(guān)系，以便于簡(jiǎn)化分析流程;單元之間的距離d，分別取值為：42、46、49、52、54，單位為mm，展開對(duì)比研究[2]。

統(tǒng)計(jì)單元之間距離產(chǎn)生的零件變形數(shù)據(jù)，當(dāng)d=42mm時(shí)，零件變形量t=0.48mm;當(dāng)d=46mm時(shí)，t=0.26mm;當(dāng)d=49時(shí)，t=0.24mm;當(dāng)d=52mm時(shí)，t=0.19mm;當(dāng)d=54mm時(shí)，t=0.19mm。由此可知：當(dāng)單元間距d大于49mm時(shí)，薄壁件的變形量值最小，有效控制在0.19mm。在單元間距增大期間，5組路徑的零件加工變化呈現(xiàn)弱勢(shì)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于：支撐單元間距增大，有利于薄壁件獲取良好的支撐，便于薄壁件邊緣夾緊工藝完成，促使薄壁件邊緣的加工變形受到控制，整體的變形量維持在0.07mm。

2.3 分析夾持力的影響力

以第四組薄壁件結(jié)構(gòu)布局3×6，單元間距d=50mm，為基礎(chǔ)，展開夾持力的變形影響分析;采取銑削工藝，分析夾持力的影響力。基于銑削工藝需求，吸盤吸附力的最小值F，應(yīng)不大于11.1牛;選取圓形吸盤，取直徑r=20mm、圈褶c=1.5;在真空環(huán)境壓強(qiáng)Pa值為0.07MPa環(huán)境下，薄壁件的脫離力為16.3牛，側(cè)向受力值為23牛;設(shè)置pa值：0.05、0.06、0.07、0.08，分析銑削工藝對(duì)薄壁件的變形影響。通過簡(jiǎn)化分析流程可知：銑削工藝中，應(yīng)選擇真空環(huán)境壓強(qiáng)pa值不大于0.08mm，實(shí)現(xiàn)有效控制切削振動(dòng)的不利影響，控制薄壁件加工變形程度。

3 結(jié)論

（1）支撐單元密度p值增加，有利于控制薄壁件的變形問題，其中以第四組布局結(jié)構(gòu)3×6的變形程度最小，使得零件變形量不大于0.2mm，是為最佳的單元布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

（2）以布局結(jié)構(gòu)3×6為基礎(chǔ)，支撐單元間距d值增加，有利于減弱薄壁件的加工變形態(tài)勢(shì)，尤其在d=50時(shí)，零件變形量不大于在0.2mm，是為最佳支撐單元間距設(shè)置;

（3）銑削工藝對(duì)薄壁件的變形影響力不大，需設(shè)計(jì)真空環(huán)境壓強(qiáng)值pa不大于0.08mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]于金，王胤棋.基于ABAQUS軟件二次開發(fā)的大型曲面薄壁件加工變形預(yù)測(cè)[J].機(jī)床與液壓，2018，46（11）：172-175.

[2]于金，王胤棋.ABAQUS二次開發(fā)及在曲面薄壁件加工變形模擬中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2017（09）：129-131+135.