鋁合金薄壁件銑削變形的有限元分析①

程婷婷,徐小飛

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

航空、航天領(lǐng)域中薄壁件以其特殊的綜合性能優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。在薄壁件銑削加工過(guò)程中，由于薄壁結(jié)構(gòu)剛性差，導(dǎo)致零件容易受切削力和切削溫度影響而產(chǎn)生加工變形情況。通過(guò)金屬切削知識(shí)、有限元技術(shù)以及多目標(biāo)的優(yōu)化模型的建立，為航空薄壁件的加工難題帶來(lái)進(jìn)一步發(fā)展。利用ABAQUS有限元軟件建立模型過(guò)程。預(yù)測(cè)了銑削變形過(guò)程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雖然有限元模擬與加工變形之間存在一定的誤差現(xiàn)象，但是結(jié)果對(duì)實(shí)際影響較小，對(duì)解決航空薄壁件變形問(wèn)題具有實(shí)際意義。

1 薄壁件銑削有限元仿真實(shí)現(xiàn)

1.1 工件和刀具幾何模型建立

研究航空鋁合金薄壁件材料為7050-T7451[1]，由于銑削過(guò)程會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形現(xiàn)象，刀具選擇直徑為10mm的YG8[2]兩刃立銑刀，其具有高強(qiáng)度、抗沖擊性和抗振動(dòng)性特點(diǎn)，在薄壁件銑削加工時(shí)變形量較小。

利用UG軟件對(duì)銑刀外形進(jìn)行建模，通過(guò)接口導(dǎo)入到part模塊下，再對(duì)其進(jìn)行修復(fù)工作，接著將工件模型在ABAQUS中進(jìn)行建模。工件尺寸：50×25×4。工件分為水平部分和垂直薄壁部分，進(jìn)行上述操作后需要對(duì)工件的垂直部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而水平部分則需要通過(guò)減少計(jì)算工作量來(lái)達(dá)到最終模型建立工作。在研究薄壁件切削變形時(shí)，考慮理想狀態(tài)下將刀具設(shè)置為剛性體進(jìn)行研究，造型時(shí)以刀桿頂面的中心為參考點(diǎn)來(lái)分析。完成工件和刀具的幾何模型。

1.2 薄壁件材料模型建立

薄壁件的本構(gòu)方程

通過(guò)Johnson-Cook建立的材料本構(gòu)關(guān)系的優(yōu)越性，可適用不同材料參數(shù)，且具有形式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。見(jiàn)公式1[3]：

(1)

1.3 模型裝配過(guò)程

裝配任務(wù)之前對(duì)每個(gè)部件設(shè)置單獨(dú)的局部坐標(biāo)系。使用裝配功能將各個(gè)部件創(chuàng)建成實(shí)體，通過(guò)定位形成一個(gè)完整的裝配件。對(duì)刀具和工件進(jìn)行裝配。

1.4 網(wǎng)格劃分

有限元仿真網(wǎng)格劃分決定有限元運(yùn)算的精度。因此為了有效的分析薄壁件切削加工就需要將應(yīng)力集中處的網(wǎng)格密分，通常適用三角形網(wǎng)格來(lái)過(guò)渡四邊形網(wǎng)格。實(shí)際加工中應(yīng)對(duì)刀具切削部分進(jìn)行細(xì)分，在充分考慮了上述因素前提下，對(duì)工件切削部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，基于工件外形較簡(jiǎn)單，所以采用了結(jié)構(gòu)化分技術(shù)。

1.5 設(shè)置分析步與加載

ABAQUS/CAE[4]的后續(xù)分析步會(huì)及時(shí)導(dǎo)出切削力、切削溫度和加工變形等數(shù)據(jù)。

ABAQUS中Load模塊能夠輕松實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)繞自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。在初始分析步和Step-cut中定義裝夾與刀具的運(yùn)動(dòng)方式。為便于展現(xiàn)加工變形狀況，定義出節(jié)點(diǎn)的集合。如圖1所示：

圖1 加工變形輸出層節(jié)點(diǎn)的選擇

1.6 仿真結(jié)果

設(shè)定銑削加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速n=1200 r/min，軸向切深ap=25mm，徑向切深ar=2mm，每齒進(jìn)給量fz=0.125mm，使用ABAQUS軟件對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行仿真練習(xí)，得出有限元仿真加工變形云圖。如圖2所示：

圖2 有限元銑削仿真結(jié)果(加工變形)

通過(guò)將加工表面的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)成集合，同時(shí)以加工變形的集合作為輸出量，通過(guò)數(shù)據(jù)(.dat)文件中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、坐標(biāo)值和變形量得到所需的數(shù)據(jù)。繪制出銑削薄壁件水平薄壁的位置的變形量如圖3所示：

圖3 銑削水平方向節(jié)點(diǎn)變形量

利用上面薄壁件水平方向變形量輸出結(jié)果選擇了X10軸線處11個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形量輸出。然后對(duì)照相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的順序來(lái)定義出路徑，通過(guò)ABAQUS的XY Data模塊輸出相應(yīng)路徑上的變形情況。如圖4所示:

圖4 X10軸線節(jié)點(diǎn)仿真變形量

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了相同的參數(shù)下進(jìn)行銑削加工過(guò)程。實(shí)驗(yàn)加工時(shí)使用的設(shè)備是瑞士的五坐標(biāo)加工中心，Y軸為研究的變形方向。共加工四塊厚度為4mm的板件，且Y向距離為65mm,46mm,27mm和8mm，軸向切深ap=25mm、徑向切深ar=2mm。

通過(guò)對(duì)不同板進(jìn)行了驗(yàn)證，具體參數(shù)如表1所示：

表1 四塊板的參數(shù)輸出

銑削加工的過(guò)程如圖5所示：

(a)對(duì)1/2塊鋁板加工 (b) 整體銑削過(guò)程

加工結(jié)束后使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)四塊板件進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)比結(jié)果如圖6所示：

圖6 有限元仿真與試驗(yàn)變形結(jié)果

對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有限元模擬與加工變形之間存在一定的誤差現(xiàn)象。對(duì)于誤差的分析主要有：首先模型中考慮到刀具為剛體，而實(shí)際加工時(shí)刀具會(huì)存在磨損情況出現(xiàn)；其次實(shí)際加工會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而有限元模型則認(rèn)為是一種理想的狀態(tài)下；最后就是任何的測(cè)量的系統(tǒng)都會(huì)存在測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)值和有限元模型值之間誤差僅在0.01-0.05(mm)內(nèi)，對(duì)實(shí)際的影響較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

航空薄壁件的加工變形問(wèn)題直接影響著航空業(yè)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)研究材料的分析，基于彈塑性變形理論的基礎(chǔ)之上，利用ABAQUS有限元軟件建立模型過(guò)程。并預(yù)測(cè)了銑削變形過(guò)程，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法得出該模型的可行性。為相關(guān)航空薄壁件的銑削變形問(wèn)題提出了可行性的解決方案，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。