基于ABAQUS軟件的管接嘴類零件加工仿真分析

劉俊文，羅志恒，傅仁科，余 剛

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，在航空航天領(lǐng)域中，飛行器結(jié)構(gòu)往往追求輕量化，因?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)輕量化可以有效降低載荷，使飛行器的飛行效率提高，因此，飛行器上所需的各種管路結(jié)構(gòu)件往往會(huì)盡可能薄?，F(xiàn)階段管接嘴類零件在生產(chǎn)制造過程中，零件裝夾固定時(shí)會(huì)受到夾具的夾緊力而發(fā)生變形，從而引起加工誤差。本文以三通管為例，通過采用Solid Works軟件分別建立工件、夾具模型并裝配，使用ABAQUS軟件對(duì)三通管的加工裝夾過程進(jìn)行仿真分析，從而為后期優(yōu)化管接嘴類零件的加工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工件裝夾變形分析

本文采用Solid Works軟件分別建立工件、夾具模型并裝配，采用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真分析。仿真分析過程包括三個(gè)階段：前處理、分析計(jì)算、后處理。本文以三通管為例，采用平壓頭與U形下夾頭方式進(jìn)行裝夾。其中，前處理包括導(dǎo)入部件、創(chuàng)建材料、截面屬性和定義裝配件，由于管接嘴類零件一般采用鋁合金與合金鋼材料加工制作，為了分析夾頭材料對(duì)工件變形的影響，同時(shí)為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，在模塊的材料和截面屬性的創(chuàng)建中分別將夾具材料設(shè)置為鋁合金和合金鋼進(jìn)行仿真。

分析計(jì)算包括劃分網(wǎng)格、設(shè)置分析步、定義接觸和邊界條件以及提交分析作業(yè)。將工件-夾具裝配起來，將夾具與工件劃分四面體網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)分析模式對(duì)工件進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化分析過程，對(duì)使用平壓頭的方案，直接施加壓強(qiáng)載荷在工件上側(cè)方凸臺(tái)的表面，對(duì)使用U形或V形上夾頭的方案，在上夾頭上側(cè)方凸臺(tái)表面施加壓強(qiáng)載荷，用壓強(qiáng)載荷來模擬夾緊力F。一般情況下，夾頭裝夾方式有：①平壓頭與U形下夾頭，②U形上夾頭與U形下夾頭，③平壓頭與V形下夾頭，④V形上夾頭與V形下夾頭，由于本文以平壓頭與U形下夾頭方式進(jìn)行裝夾三通管為例，裝夾如圖1所示，在設(shè)置加載力模塊中，在夾緊力設(shè)置方向設(shè)置夾緊力F，同時(shí)設(shè)置下夾頭下表面的邊界條件為U1=0。其中，網(wǎng)格劃分是仿真計(jì)算的重要步驟，網(wǎng)格的質(zhì)量直接關(guān)系到計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外，網(wǎng)格布置太稀疏容易造成網(wǎng)格畸變、計(jì)算不收斂，網(wǎng)格布置太密集又會(huì)占用太多的內(nèi)存和時(shí)間。創(chuàng)建分析作業(yè)，將前面定義的模型和邊界條件提交求解器進(jìn)行求解，提交分析作業(yè)。

圖1 平壓頭與U形下夾頭與裝夾時(shí)夾緊力施加方式圖

提交分析完成后，進(jìn)入后處理模塊查看分析結(jié)果。分析結(jié)果可以多種方式顯示，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖等，也可以讀取各類數(shù)據(jù)文件做進(jìn)一步分析計(jì)算。由于工件、夾具、載荷的對(duì)稱性，選取三通管的2端來分析其夾緊前后的變形情況。而對(duì)于夾頭主要關(guān)注其在夾緊力方向上的位移。圖2和圖3為采用U形下夾頭及平壓頭裝夾方案的仿真分析結(jié)果輸出，此時(shí)夾頭材質(zhì)為合金鋼，夾緊力F=6000N，方向與圖中坐標(biāo)系z(mì)軸正方向相同，圖中y軸正向指向三通管的2端。

圖2 管接嘴在U型下夾頭及平壓頭裝夾的變形仿真云圖

圖3 U形下夾頭及平壓頭裝夾的變形仿真云圖

在后處理過程中，選取如圖4所示的三通管2端外圓面上的所有節(jié)點(diǎn)建立新的顯示組，并可建立空間柱坐標(biāo)系，從而可以輸出夾緊前后節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的徑向位移值，三通管的徑向位移云圖如圖5所示。此時(shí)最大值為8.7μm，最小值為-12.3μm。其中，位移值為正值表示變形后該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離中心軸，位移值為負(fù)值則表示該節(jié)點(diǎn)靠近中心軸。

圖4 三通管2端外圓面上節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的顯示組圖

圖5 三通管的徑向位移云圖

由于零件的夾緊變形主要受到夾緊力、裝夾方案等因素的影響，本文除了對(duì)夾緊力在F=6000N時(shí)，平壓頭與U形下夾頭與裝夾時(shí)進(jìn)行有限元模擬進(jìn)行分析，同時(shí)，采用控制變量法分別對(duì)不同夾緊力和裝夾方案進(jìn)行有限元模擬進(jìn)行分析。表1表示三通管平壓頭與U形下夾頭與裝夾時(shí)F分別為2000N、4000N、6000N、8000N和10000N管嘴2的外圓面上所有節(jié)點(diǎn)的徑向位移最值匯總，以分析三通管在不同夾緊力下的裝夾變形規(guī)律。表2表示夾緊力為6000N時(shí)，不同裝夾方案下管嘴2的外圓面上所有節(jié)點(diǎn)的徑向位移最值匯總。表3表示材料為合金鋼及鋁合金在夾緊力均為6000N時(shí)，三通管2端外圓面上節(jié)點(diǎn)徑向位移最值匯總。

表1 不同夾緊力下，工件管嘴2外圓面上節(jié)點(diǎn)位移最值匯總

表2 不同裝夾方案下，工件管嘴2外圓面上節(jié)點(diǎn)位移最值匯總

表3 三通管2端外圓面上節(jié)點(diǎn)徑向位移最值匯總

綜合比較各裝夾方案下的三通管裝夾變形仿真分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）各個(gè)裝夾方案下，夾緊力增大時(shí)，工件應(yīng)力隨之呈比例增大；

2）上下夾頭均為U形頭時(shí)，工件裝夾變形量最小，當(dāng)工件尺寸精度要求較高時(shí)，可選用此方案；

3）合金鋼的夾頭比鋁合金的夾頭裝夾效果更好；

4）合理設(shè)計(jì)夾具造型和合理選用夾緊力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致工件局部變形量過大。

2 零件加工過程中切削力、夾緊力作用分析

切削力來源于刀具在切削時(shí)受到工件的彈塑性變形力以及摩擦力，影響切削力大小的因素包括工件材料、切削用量、刀具相關(guān)參數(shù)以及切削液等。利用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析，考慮夾緊力、切削力聯(lián)合作用，其中上、下夾具均采用U形夾頭，夾緊力設(shè)為6000N，夾具材料為合金鋼，工件材料為鋁合金，采用靜力分析方法進(jìn)行仿真分析，對(duì)三通管2端位置進(jìn)行分析。圖6中A、B、C、D點(diǎn)為零件仿真加工過程中選定點(diǎn)，又稱為切削點(diǎn)。徑向位移值匯總?cè)绫?所示，當(dāng)三通管處于不同切削位置時(shí)，切削點(diǎn)的徑向位移也不同。

表4 不同切削狀態(tài)下各切削位置徑向位移最值匯總表

圖6 切削點(diǎn)的位置圖

圖7為A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)所在截面，圖中外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)圓虛線代表工件的初始表面；外側(cè)實(shí)線表示受夾緊力、切削力作用而變形的工件外圓表面；內(nèi)側(cè)虛線為理想刀具軌跡，也為標(biāo)準(zhǔn)圓，內(nèi)側(cè)紅色實(shí)線代表卸載后發(fā)生回彈變形的工件外圓表面；圖中打剖面線的區(qū)域代表加工中實(shí)際切除的區(qū)域。以切削B點(diǎn)為例，主切削力為300N時(shí)，B點(diǎn)徑向位移約為-9.4μm，則切削時(shí)B位置少切削了9.4μm，造成B位置實(shí)際半徑比標(biāo)準(zhǔn)值大約9.4μm。整理表4中數(shù)據(jù)，得到工件外圓面的誤差值預(yù)測(cè)，如表5所示，其中正值表示預(yù)測(cè)值比理想值大。從表中數(shù)據(jù)可以看出，直徑AC的值受切削力變化影響較大。

圖7 切削位置所在截面示意圖

表5 工件外圓面的誤差值預(yù)測(cè)匯總表

3 結(jié)論

綜合分析和研究三通管加工裝夾仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）加工薄壁類管接嘴類零件時(shí)，合金鋼的夾頭比鋁合金的夾頭裝夾效果更好。當(dāng)工件尺寸精度要求較高時(shí)，可采用上、下夾頭均為U形頭裝夾方式；

2）夾緊力增大時(shí)，工件應(yīng)力也增大；

3）零件加工過程中，直徑方向受切削力變化影響較大；

4）應(yīng)合理設(shè)計(jì)夾具造型并合理選用夾緊力和切削力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致工件局部變形量過大。