裝夾方式對銑削薄壁件加工變形的影響分析

張文瑞，金成哲，戰(zhàn) 勇

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

鈦合金具有比強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低、延展性能優(yōu)良和抗疲勞性能優(yōu)異的特點，已被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)和航空結(jié)構(gòu)件的制造[1]。 鈦合金屬于難切削加工材料，尤其在切削鈦合金薄壁零件時，如果工件的裝夾方式及裝夾順序安排不合適，會使薄壁件產(chǎn)生嚴(yán)重的加工變形，研究裝夾方式對加工變形的影響規(guī)律對于減小鈦合金薄壁件的銑削變形具有重要意義。

國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對不同類型鈦合金薄壁件的銑削加工變形進(jìn)行了大量研究。 王貴林等[2]在對星載鈦合金薄壁件切削特性的研究中采用超聲振動金剛石車削方式控制切削力、裝夾力引起的加工變形和殘余應(yīng)力，通過在線補(bǔ)償修正刀具磨損誤差。 李玉亮等[3]以鈦合金薄壁筒形殼體為研究對象，分析了加工流程、裝夾方式、結(jié)構(gòu)特征等因素對薄壁件加工變形的影響。 陳宏亮等[4]從某新研制航天飛行器外部結(jié)構(gòu)件用鈦合金材料的特性及切削特點入手，重新設(shè)計了零件工裝，其改進(jìn)措施不僅保證了零件質(zhì)量，而且提高了零件加工效率。 李曦等[5]提出一種非均勻余量設(shè)計方法，建立了鈦合金薄壁件銑削加工變形預(yù)測模型，可通過不同余量設(shè)計策略對薄壁懸臂結(jié)構(gòu)件加工變形的影響分析，減小鈦合金薄壁零件的加工變形。 章正偉等[6]利用有限元分析方法，對鈦合金機(jī)翼翼根對接緣條的加工變形趨勢進(jìn)行了仿真分析。 Mohruni A S 等[7]為減小薄壁加工中的誤差，采用Deform-3D 軟件進(jìn)行了有限元模擬，獲得薄壁加工的特性，可用以指導(dǎo)實際加工過程。Wang J Q[8]建立了薄板的三維仿真模型，并采用有限元數(shù)值模擬分析了不同加工條件和不同約束條件對其加工變形的影響。 郭建燁等[9]提出一種計算效率更高、結(jié)果更為精確的改進(jìn)煙花算法，用于改善薄壁件在銑削加工中易變形的問題。 王景坡等[10]以非對稱隔框類航空薄壁結(jié)構(gòu)件為研究對象，采用數(shù)值模擬方法分析了隔框加工順序、裝夾方式等對工件整體變形的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的變形控制策略。

目前關(guān)于鈦合金薄壁零件加工變形的研究中較少通過試驗對仿真模型進(jìn)行驗證后分析裝夾方式對零件加工變形的影響。 本文采用三維Deform-3D 軟件對銑削TC4 鈦合金葉片薄壁件進(jìn)行有限元仿真，獲得其加工變形的切削力，并通過試驗驗證模型的可靠性，再進(jìn)一步仿真分析不同裝夾方式對薄壁件加工變形的影響。

1 TC4 鈦合金薄壁件銑削仿真

1.1 銑削仿真模型

銑削仿真工件為具有代表性的鈦合金曲面薄壁件，選擇葉片形狀，使用UG 軟件建立其三維模型，如圖1所示。 加工所用刀具選擇四刃硬質(zhì)合金球頭立銑刀，其彈性模量為640000MPa、泊松比為0. 22、密度為14. 5 × 103kg/m3、比熱容為502J/(kg·℃)、導(dǎo)熱系數(shù)為74.5W/(m·K)，刀具前角γ＝1°30′、后角α＝14°。

圖1 鈦合金葉片薄壁件三維模型

本文銑削仿真采用Johnson-Cook 模型[11]描述鈦合金材料的本構(gòu)關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：σ為等效塑性應(yīng)力；A為準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度；B為應(yīng)變率硬化參數(shù)；εp為等效塑性應(yīng)變；n為硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)；為等效塑性應(yīng)變率；為材料的參考應(yīng)變率；T為溫度；T0為室溫，通常取20℃；Tmelt為材料的熔點；m為熱軟化參數(shù)。

TC4 鈦合金的Johnson-Cook 本構(gòu)模型材料參數(shù)如表1所示。

表1 TC4 鈦合金的Johnson-Cook 本構(gòu)模型材料參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

將工件和刀具賦予材料屬性后，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 對工件采用相對網(wǎng)格劃分方式，若網(wǎng)格劃分的數(shù)量過少，仿真過程中網(wǎng)格會發(fā)生很嚴(yán)重的畸變，影響仿真的精度和質(zhì)量；反之，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量過多，仿真過程中網(wǎng)格本身不會產(chǎn)生畸變，但會使有限元仿真的時間大大延長。 經(jīng)測試，本文鈦合金曲面薄壁件的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為100000 個。為得到零件主要部位更為理想的加工仿真結(jié)果，對主要部位采用局部細(xì)劃分網(wǎng)格。 對硬質(zhì)合金刀具采用整體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為32000 個。

1.3 邊界條件設(shè)置

采用三維Deform-3D 軟件進(jìn)行切削加工有限元仿真，設(shè)置溫度條件為20℃，根據(jù)實際生產(chǎn)過程中的加工情況，銑削加工仿真模型設(shè)置為如圖2所示的邊界約束條件。 將工件固定，以使其在刀具進(jìn)給運(yùn)動時不會發(fā)生位移，即在Deform-3D 有限元仿真軟件中定義此工件左右兩端上下兩側(cè)平面的速度為0mm/s。

圖2 邊界約束條件

1.4 仿真切削力采集

鈦合金曲面薄壁零件銑削的走刀路徑如圖3所示。

圖3 走刀路徑

由圖3可見，鈦合金曲面薄壁零件的走刀從左到右、從下到上進(jìn)行，即從點(25.9845，5.0674，12.4725)開始，銑削到點(199. 0155，11. 4160，24.6279)，然后向上依次“S”形走刀。

按照上述方法添加材料屬性、設(shè)置單元屬性、劃分網(wǎng)格、對工件施加載荷及邊界約束，運(yùn)行仿真軟件進(jìn)行求解，分別得到進(jìn)給力Fx、主切削力Fy以及軸向力Fz，如圖4所示。

圖4 各方向切削力示意圖

1.5 仿真結(jié)果及分析

本文按照正交試驗設(shè)計仿真方案，采用3 因素(切削速度vc、每齒進(jìn)給量fz和背吃刀量ap)4水平正交試驗法，正交試驗表如表2所示。

表2 正交試驗表

根據(jù)表2的方案設(shè)計進(jìn)行銑削仿真，得到進(jìn)給力Fx、主切削力Fy及軸向力Fz，進(jìn)一步得到銑削合力Fc，結(jié)果如表3所示。 對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到各向力的平均值分別為＝146. 9N、＝151.1N、＝181.1N、＝278.9N。

表3 切削力仿真結(jié)果N

2 TC4 鈦合金薄壁件銑削試驗

2.1 銑削試驗方案

銑削試驗設(shè)備為VMC850E 立式加工中心(沈陽市第一機(jī)床廠)，試驗選用刀具為整體式四刃硬質(zhì)合金直柄球頭立銑刀， 加工工件為190mm×70mm 的鈦合金板材。 切削力采集所用設(shè)備為9123C 旋轉(zhuǎn)測力儀(Kistler 公司)、5223B2電荷放大器、5697A 數(shù)據(jù)采集卡及一臺裝有DynoWare 測力儀軟件的電腦。

將旋轉(zhuǎn)測力儀的定子固定在轉(zhuǎn)子外部，為保證試驗數(shù)據(jù)處理方便，將旋轉(zhuǎn)測力儀的x、y和z坐標(biāo)與機(jī)床的x、y和z坐標(biāo)盡量保持一致。 為保證信號準(zhǔn)確，旋轉(zhuǎn)測力儀的定子與轉(zhuǎn)子之間距離不能太大或太小。 旋轉(zhuǎn)測力儀的另一個端口連接電荷放大器，電荷放大器對所測信號進(jìn)行處理，其另一端口連接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡用于采集電荷放大器處理過的信號，通過裝有DynoWare測力儀軟件的電腦儲存數(shù)據(jù)。 圖5為銑削加工時切削力采集裝置圖。

圖5 切削力采集試驗裝置圖

2.2 試驗結(jié)果與分析

按照表2所示方案進(jìn)行銑削TC4 鈦合金試驗，測試得到各向切削力，結(jié)果如表4所示。

表4 切削力試驗測試結(jié)果N

對表4的試驗結(jié)果進(jìn)行整理，得到進(jìn)給力、主切削力和軸向力的平均值分別為＝154. 1N、＝158.2N、＝172.9N，銑削合力的平均值為＝287.5N。

TC4 鈦合金薄壁件的銑削仿真與試驗測試得到的切削力對比如圖6所示。

圖6 銑削仿真與試驗測試得到的切削力對比

由圖6可知，通過仿真與試驗測試得到的切削力平均誤差為4.17%。 產(chǎn)生誤差的原因主要為：一方面，銑削仿真模型的建立以一定的假設(shè)前提為基礎(chǔ)，仿真模型為理想化模型；另一方面，在銑削鈦合金薄壁件的試驗過程中，機(jī)床振動、主軸轉(zhuǎn)速誤差及測試儀器精度等多種因素對測量結(jié)果也存在一定的影響。 仿真與試驗結(jié)果的誤差在允許范圍之內(nèi)，故所建立的銑削TC4 鈦合金薄壁件仿真模型可靠。

3 裝夾方式對加工變形的影響

在銑削葉片薄壁件時，裝夾方式是影響工件加工變形的重要因素。 本文基于上述銑削TC4薄壁件仿真模型，采用三種裝夾方式對薄壁件加工變形進(jìn)行仿真分析，分別為垂直葉背裝夾(平行葉背法向平面)、水平裝夾(平行葉背切向平面)以及一端固定裝夾。 裝夾方式如圖7所示。

圖7 銑削鈦合金葉片薄壁件的裝夾方式

采用Deform-3D 軟件進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真分析。 設(shè)置切削速度為50m/min、每齒進(jìn)給量為0.06mm/z、背吃刀量為0.3mm，采用垂直葉背裝夾方式，仿真得到x、y和z方向的加工變形結(jié)果，如圖8所示。

圖8 銑削TC4 鈦合金薄壁件加工變形

由圖8可見，在銑削鈦合金曲面薄壁件時發(fā)生加工變形最大的位置是工件的中心點，其坐標(biāo)為(112.5000，36.7050，36.9185)。

對工件分別采用垂直葉背裝夾方式、水平裝夾方式、一端固定裝夾方式，按照表3中硬質(zhì)合金球頭立銑刀的進(jìn)給力Fx、主切削力Fy及軸向力Fz的數(shù)值，進(jìn)行鈦合金葉片薄壁件的銑削仿真分析，分別得到x、y及z方向的最大加工變形量，如圖9所示。

由圖9a 可見，采用垂直葉背裝夾方式時，z方向的最大變形量為0.1520mm，x方向的最大變形量為0.0537mm，y方向的最大變形量為0.0068mm。

圖9 不同裝夾方式的三向加工變形量

由圖9b 可見，當(dāng)采用水平裝夾方式時，z方向的最大變形量為0.1620mm，x方向的最大變形量為0.0695mm，y方向的最大變形量為0.0096mm。

由圖9c 可見，當(dāng)采用一端固定裝夾方式時，z方向的最大變形量為1.6700mm，x方向的最大變形量為0. 7190mm，y方向的最大變形量為0.1270mm。

由圖9加工變形量折線圖可以看出，三種裝夾方式對加工變形的影響規(guī)律基本相同，工件在各向切削力的作用下發(fā)生變形，總體上均表現(xiàn)為z方向變形量最大、x方向變形量次之、y方向變形量最小。 因此，軸向力對于鈦合金曲面薄壁件的加工變形影響最大，進(jìn)給力的影響次之，主切削力的影響最小。 同時，通過對比分析可以看出，一端裝夾方式的最大加工變形量遠(yuǎn)大于另外兩種裝夾方式，垂直葉背裝夾方式下夾緊力受力面積大于水平裝夾方式，故其最大加工變形量小于水平裝夾方式。 因此，不宜采用一端裝夾方式，優(yōu)先考慮垂直葉背裝夾方式。

4 結(jié)論

(1)使用UG 軟件進(jìn)行了鈦合金曲面薄壁件的建模，并利用Deform-3D 軟件建立了三維銑削鈦合金曲面薄壁件的有限元仿真模型，按照正交試驗方案進(jìn)行銑削仿真，得到了進(jìn)給力、主切削力及軸向力。 經(jīng)試驗驗證，所建立的銑削TC4 鈦合金薄壁件仿真模型可靠。

(2)軸向力對銑削TC4 鈦合金葉片薄壁件的加工變形影響最大，進(jìn)給力的影響次之，主切削力的影響最小，可通過選擇合適的切削用量來降低軸向力以減小加工變形。

(3)垂直葉背裝夾方式加工變形量最小，優(yōu)于水平裝夾方式和一端裝夾方式，銑削鈦合金葉片薄壁件時宜優(yōu)先采用垂直葉背裝夾方式。