航空薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工變形數(shù)值模擬分析

龔潺，徐鋒，徐俊華，左敦穩(wěn)

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 前言

在航空航天制造業(yè)中，為了減輕質(zhì)量，提高飛機(jī)和航天器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)動(dòng)性能，越來越多的整體薄壁結(jié)構(gòu)零件被采用，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的薄壁框、壁板、翼肋和發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片等等。這些薄壁結(jié)構(gòu)件具有形狀復(fù)雜、尺寸大、加工精度要求高、薄壁部位多等特點(diǎn)［1］。數(shù)控加工后，往往容易產(chǎn)生加工變形，因此，預(yù)測(cè)零件的加工變形，并通過改進(jìn)加工工藝減小零件的加工變形、提高產(chǎn)品品質(zhì)的研究已是當(dāng)務(wù)之急。在影響航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的眾多因素中，毛坯材料的初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削力和裝夾力為主要因素。王立濤［2］、Ratchev［3］等人提出了銑削加工的受力模型，王樹宏［4］、王志剛［5］等人在其模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)了切削力模型，并進(jìn)行了特定的變形分析。孫杰［6］、董輝躍［7］等人研究了材料去除過程中殘余應(yīng)力的重新分布引起的加工變形。郭魂等人［8-9］對(duì)加工過程中不同的裝夾方案和走刀方式對(duì)銑削變形的影響進(jìn)行了研究。AltintasY、Budakt［10］應(yīng)用有限元法對(duì)薄壁件的銑削變形進(jìn)行了仿真研究，但沒有分析不同的切削用量、刀具參數(shù)組合對(duì)變形的影響。而從現(xiàn)有的研究成果分析和實(shí)際加工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，工藝方案中包括切削用量和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加工變形的影響也不可忽視。

本文以航空鋁合金7050T7451腔型薄壁零件的數(shù)控銑削加工為研究對(duì)象，由于總結(jié)銑削加工變形規(guī)律需要大量的數(shù)據(jù)，如果只通過試驗(yàn)來獲取數(shù)據(jù)成本太高且非常耗時(shí)，利用Production Module 3D仿真軟件建立模型，該軟件是基于有限元仿真軟件AdvantEdge計(jì)算的大量切削力、切削溫度、殘余應(yīng)力、塑性應(yīng)變率等數(shù)據(jù)，應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論來預(yù)測(cè)零件的加工變形，能夠進(jìn)行大量的模擬計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航空框類薄壁件銑削加工變形影響規(guī)律的研究。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

1.1 薄壁件幾何形狀

考慮到數(shù)值模擬的計(jì)算效率和航空框類薄壁結(jié)構(gòu)件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共性，設(shè)計(jì)了如圖1所示的薄壁結(jié)構(gòu)件，其中側(cè)壁和腹板厚度均為2 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)件幾何模型

1.2 初始?xì)堄鄳?yīng)力的測(cè)定

薄壁結(jié)構(gòu)件的毛坯材料采用航空鋁合金7050T7451預(yù)拉伸板，參數(shù)如表1所示。

表1 毛坯參數(shù)

由于毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工變形具有重要的影響，因此在仿真模型中，需要將毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力導(dǎo)入到模型中。

試驗(yàn)通過剝層X射線衍射法測(cè)量了7050T7451鋁合金厚板內(nèi)部的殘余應(yīng)力［11］，X射線法是測(cè)量殘余應(yīng)力較為成熟的方法，由于其穿透金屬的能力差，對(duì)于鋁合金小于50 μm，所以它僅能測(cè)量工件表層殘余應(yīng)力，試驗(yàn)所用儀器為日本理學(xué)公司生產(chǎn)的MSF-3M型應(yīng)力分析儀。若要測(cè)量鋁合金厚板內(nèi)部殘余應(yīng)力，必須通過切削或腐蝕使材料內(nèi)部逐層暴露，以測(cè)量各層的殘余應(yīng)力。試驗(yàn)過程假設(shè)板內(nèi)殘余應(yīng)力僅隨板的厚度變化，與板中面對(duì)稱并在平行于板中面任一平面內(nèi)均勻分布［12-13］。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力

1.3 Production Module 3D仿真模型的建立

仿真所使用的軟件為Third Wave公司的Production Module 3D，該軟件是基于金屬切削原理的物理仿真與數(shù)控程序相結(jié)合，支持實(shí)體模型和刀具軌跡的輸入，可以計(jì)算加工過程中的切削力、切削溫度、功率和加工變形等。

分別設(shè)置機(jī)床、刀具、毛坯和坐標(biāo)系等，數(shù)控機(jī)床控制器型號(hào)選擇fanuc16，選用硬質(zhì)合金銑刀，具體參數(shù)見表2。在定義毛坯時(shí)，除了輸入表1中的參數(shù)外，還需將測(cè)得的毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力導(dǎo)入。

表2 銑刀參數(shù)

考慮到對(duì)于剛性較低的薄壁結(jié)構(gòu)件，裝夾是引起加工變形的一個(gè)重要因素，模擬銑削加工時(shí)具體的裝夾條件對(duì)零件進(jìn)行邊界約束。實(shí)際加工時(shí)，工件底面平放在工作臺(tái)上，側(cè)壁采用虎鉗夾具夾持。該過程軟件通過3－2－1約束來實(shí)現(xiàn)，即同時(shí)在零件底面選取不共線的三個(gè)點(diǎn)，分別約束3個(gè)、2個(gè)及1個(gè)移動(dòng)自由度，如圖3所示，這樣既保證零件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布引起的自由變形，又約束零件的剛體位移。

圖3 PM仿真薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工整體變形

借助UG/CAM編程，在UG建模模塊中創(chuàng)建工件的CAD模型，定義切削參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min，進(jìn)給fz=0.6 mm/r，切深ap=2.2 mm，切寬ae=2 mm，在 UG 數(shù)控銑削模塊中進(jìn)行加工幾何仿真，生成零件加工的刀位軌跡文件（NC文件），將其導(dǎo)入PM中進(jìn)行計(jì)算。

1.4 模型驗(yàn)證

圖4為PM仿真薄壁結(jié)構(gòu)件加工整體變形云圖，為了對(duì)所建立的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，沿工件縱向按一定間隔取出20個(gè)點(diǎn)的變形值，與文獻(xiàn)［14］中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖中可以看出，PM仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的薄壁件加工變形整體趨勢(shì)相符，與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差均在16%以內(nèi)?？紤]到仿真模型經(jīng)過了一定的簡(jiǎn)化，且零件毛坯材料實(shí)際的初始?xì)堄鄳?yīng)力也可能并不是完全有規(guī)則的對(duì)稱分布，因而認(rèn)為模擬結(jié)果是可以接受的。

圖4 PM仿真薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工整體變形

圖5 PM仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 銑削加工變形影響因素的研究

基于該仿真模型，探究不同走刀路徑、切削用量和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的影響。本文研究的四種常規(guī)走刀路徑如圖6所示，分別為之字走刀、并進(jìn)走刀、內(nèi)環(huán)走刀和外環(huán)走刀，切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、切深和切寬，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)包括刀具直徑、齒數(shù)和前角。每個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)3個(gè)不同數(shù)值為一組分別進(jìn)行仿真，記錄各方向的最大變形量，對(duì)比每組不同數(shù)值的仿真結(jié)果。

圖6 銑削加工的四種常規(guī)走刀路徑

2.1 走刀路徑對(duì)加工變形的影響

從圖7中可以看出，在不同走刀路徑下工件的加工變形有很大不同，外環(huán)和之字兩種走刀方式，加工變形相對(duì)較小，而并進(jìn)走刀產(chǎn)生的加工變形量最大，在z方向達(dá)到了0.06 mm，x和y方向的變形量也最大，其次是內(nèi)環(huán)走刀方式。根據(jù)文獻(xiàn)［15］的研究結(jié)果，在其他加工條件不變的情況下，只改變走刀路徑，零件的殘余應(yīng)力分布及加工變形會(huì)出現(xiàn)較大不同，其中外環(huán)走刀方式較其他三種情況殘余應(yīng)力分布比較均勻，加工變形也相對(duì)較小，而在并進(jìn)和內(nèi)環(huán)走刀加工模式下，由于存在多次進(jìn)刀、出刀操作，切削力變化比較頻繁造成應(yīng)力積聚，使得應(yīng)力波效應(yīng)顯著，因此加工變形比較大。

2.2 切削參數(shù)對(duì)加工變形的影響

從仿真結(jié)果可以看出，工件在x方向和y方向的最大變形量均小于其在z方向的變形量，圖8中主軸轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min時(shí)三個(gè)方向的的加工變形均為最大，隨著轉(zhuǎn)速增大到10 000r/min變形量有所減小，而當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大到15 000r/min變形量幾乎沒有變化，說明轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)會(huì)對(duì)加工變形造成影響。從圖9可以看出，進(jìn)給依次增大引起工件y方向和z方向的變形出現(xiàn)減小趨勢(shì)，而x方向變形量明顯增大，這是因?yàn)殡S進(jìn)給量增大，切削厚度增大，但切削厚度增大的同時(shí)使變形系數(shù)減小，摩擦系數(shù)也降低［16］。從圖10和圖11中可以看出各方向的變形量對(duì)于切深、切寬的變化不敏感，且其變化沒有任何規(guī)律可循，文獻(xiàn)［17］指出，切削深度和寬度對(duì)工件已加工表面層殘余應(yīng)力的影響很小，從而難以對(duì)加工變形產(chǎn)生較大影響，本文仿真結(jié)果正好與該結(jié)論相符。

圖11 切寬對(duì)加工變形的影響

2.3 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加工變形的影響

從圖12中可以看出，隨著刀具直徑的增大，工件z方向變形量大幅增加，當(dāng)?shù)毒咧睆絛=18 mm時(shí)，最大變形量達(dá)到0.064 mm，說明工件變形量受刀具直徑影響較大，從文獻(xiàn)［18］建立的基于鋁合金材料7050T7451的數(shù)控銑削力經(jīng)驗(yàn)公式:

可以看出切削力會(huì)隨刀具直徑do的增大而增大，因此引起了變形量增大。

圖12 刀具直徑對(duì)加工變形的影響

如圖13所示，隨著刀具前角的增大變形量有減小趨勢(shì)，當(dāng)?shù)毒咔敖菫?4°時(shí)工件變形最小，因?yàn)榍敖窃龃?，切削溫度及切削力?huì)降低，所以大的前角可以減小切削熱的產(chǎn)生，從而減小殘余應(yīng)力，減小工件變形［19］。

圖13 刀具前角對(duì)加工變形的影響

3 結(jié)語

1）建立了薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工仿真模型，并通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了該仿真模型可以滿足數(shù)值模擬的精度要求。

2）并進(jìn)走刀和內(nèi)環(huán)走刀方式產(chǎn)生的加工變形量要大于之字走刀和外環(huán)走刀，因此采用外環(huán)走刀方式可以有效的控制工件的加工變形。

3）轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量配比組合會(huì)影響加工變形，較小轉(zhuǎn)速加工會(huì)使得變形量增大，而銑削深度、銑削寬度對(duì)加工變形的影響難以獲得有效規(guī)律。

4）刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)中的刀具直徑對(duì)加工變形的影響相對(duì)較大，刀具直徑越大產(chǎn)生的加工變形越大。刀具前角的增加使得加工變形出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，在實(shí)際生產(chǎn)中，在刀具耐用度允許的情況下，可選用較大的前角以減小加工變形。

5）通過本文研究得知走刀路徑對(duì)加工變形的影響較大，而切削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)并不是影響加工變形的主要因素，但由于它們會(huì)直接影響到切削力和殘余應(yīng)力，所以研究切削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)與加工變形的關(guān)系對(duì)于對(duì)于優(yōu)化切削參數(shù)、改善加工工藝和控制加工變形具有重要意義。

［1］康小明，孫杰，蘇財(cái)茂，等.飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件加工變形的產(chǎn)生和對(duì)策［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15（13）:1140-1143.

［2］王立濤，柯映林，黃志剛，等.航空鋁合金7050－T7451銑削力模型的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（19）:1684-1686.

［3］Ratchev，S.Huang，et al.Modeling and simulation environment for machining of low-rigidity components［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，153-154（10）:67-73.

［4］王樹宏.航空鋁合金厚板初始?xì)堄鄳?yīng)力及其對(duì)銑削變形影響的基礎(chǔ)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［5］王志剛，何寧，張兵，等.航空薄壁零件加工變形的有限元分析［J］.航空精密制造技術(shù)，2000，36（6）:7-11.

［6］孫杰，柯映林.殘余應(yīng)力對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的影響分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（2）:117-122.

［7］董輝躍，柯映林.殘余應(yīng)力對(duì)加工變形影響的分析與模擬［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2005，25（5）:54-58.

［8］郭魂.航空多框整體結(jié)構(gòu)件銑削變形機(jī)理與預(yù)測(cè)分析研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［9］董輝躍，柯映林.銑削加工中薄壁件裝夾方案優(yōu)選的有限元模擬［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，38（1）:17-21.

［10］Erhan Budak，Yusuf Altintas，et al.Modeling and avoidance of static form errors in peripheral milling of plates［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，1995，35（3）:459-476.

［11］王樹宏.航空鋁合金厚板初始?xì)堄鄳?yīng)力及其對(duì)銑削變形影響的基礎(chǔ)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［12］王樹宏，左敦穩(wěn)，黎向鋒，等.預(yù)拉伸鋁合金厚板7050T7451內(nèi)部殘余應(yīng)力分布測(cè)試?yán)碚摷霸囼?yàn)研究［J］.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23（2）:192-195.

［13］郭魂，左敦穩(wěn)，王樹宏，等.鋁合金預(yù)拉伸厚板內(nèi)殘余應(yīng)力分布的測(cè)量［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（2）:33-36.

［14］白萬金.航空薄壁件精密銑削加工變形的預(yù)測(cè)理論及方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，2008.

［15］Guo Hun，Zuo Dun-wen，Wang Shu-hong，et al.Effect of toolpath on milling accuracy under clamping［J］.Transactions of Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，2005，22（3）:234-239.

［16］王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［17］仇啟源，龐思勤.現(xiàn)代金屬切削技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［18］馬純艷.薄壁件高速銑削加工變形分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［19］ Louis C，Jr.Stress Management［J］.Cutting Tool Engineering，1996，48（2）:133-137.