2124鋁合金曲邊薄壁結(jié)構(gòu)加工變形仿真分析

申運(yùn)鋒，趙妍，楊生國，李永銅，付嘉寶，蘇宏華，何臨江

(1.中國航天科工集團(tuán)公司 航天晨光股份有限公司，南京　210006)(2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京　210016)

2124鋁合金曲邊薄壁結(jié)構(gòu)加工變形仿真分析

申運(yùn)鋒1，趙妍1，楊生國1，李永銅1，付嘉寶2，蘇宏華2，何臨江2

(1.中國航天科工集團(tuán)公司 航天晨光股份有限公司，南京210006)(2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京210016)

摘要：鋁合金結(jié)構(gòu)件在其銑削加工過程中，易發(fā)生加工變形和彈性讓刀，為了實(shí)現(xiàn)鋁合金曲邊薄壁結(jié)構(gòu)加工讓刀變形的預(yù)測(cè)，提出一種銑削加工過程的仿真分析方法。通過不同參數(shù)組合的銑削試驗(yàn)獲得切削力回歸方程，為仿真試驗(yàn)切削力加載提供依據(jù)；利用Python語言對(duì)Abaqus軟件進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合“單元生死”技術(shù)，針對(duì)曲邊薄壁結(jié)構(gòu)選取三種走刀方式進(jìn)行銑削加工變形仿真分析；通過銑削試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真分析方法的可靠性。結(jié)果表明：階梯對(duì)稱走刀方式變形量最小，單側(cè)走刀方式變形量遠(yuǎn)大于另外兩種對(duì)稱走刀方式，隨著側(cè)壁高度的降低，差異逐漸減小，至工件底部三種走刀方式的變形量基本相同。

關(guān)鍵詞：2124鋁合金；曲邊薄壁；銑削加工；走刀路徑

0引言

隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代飛行器的性能要求不斷提高，飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也發(fā)生了較大變化，現(xiàn)代飛機(jī)、航天器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。為了減輕重量，結(jié)構(gòu)件被大量使用，例如機(jī)翼、整體壁板、大梁、隔框等部件。盡可能多的應(yīng)用結(jié)構(gòu)件所帶來的優(yōu)勢(shì)包括：降低飛機(jī)、火箭等的自身結(jié)構(gòu)重量，提高飛行器的機(jī)動(dòng)性，增大其負(fù)載能力和飛行距離。而且，隨著飛行器重量的降低以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高，其服役壽命將得以延長(zhǎng)[1-2]。

鋁合金結(jié)構(gòu)件材料因其去除率高、多薄壁結(jié)構(gòu)、剛性較差、彈性模量較小、屈強(qiáng)比較大等特點(diǎn)，在銑削過程中，切削力會(huì)使零件產(chǎn)生局部加工變形和彈性讓刀[3-6]。國內(nèi)外針對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件的局部加工變形問題進(jìn)行了大量研究，例如S.Ratchev等[7-10]將薄壁件銑削加工過程中工件的變形轉(zhuǎn)變?yōu)榍腥虢?、切出角的變化，并建立了相?yīng)的工件彈性讓刀變形誤差的預(yù)測(cè)模型。K.Shirase等[11]研究了采用變齒間角刀具加工薄壁工件時(shí)的切削力及加工表面誤差，有效減少了變形誤差和薄壁件顫振問題。Tang Aijun等[12]以彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建薄壁件彈性讓刀變形的有限元模型，來模擬其銑削加工過程。武凱等[13-14]利用有限元軟件仿真模擬獲得了薄腹板的加工變形規(guī)律，并給出了優(yōu)化的銑削參數(shù)。然而上述研究無論是有限元模型，還是工藝試驗(yàn)，多是針對(duì)直邊薄壁和腹板結(jié)構(gòu)，對(duì)于曲邊薄壁結(jié)構(gòu)的研究則極少。曲邊薄壁作為結(jié)構(gòu)件的重要特征，其變形在制造中普遍存在，研究其加工變形規(guī)律以及變形控制措施是極為必要的。

本文針對(duì)結(jié)構(gòu)局部加工變形，以2124鋁合金曲邊薄壁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過有限元仿真分析，對(duì)零件的加工變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比不同走刀方式的加工變形量，并針對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行銑削試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真分析的可靠性。通過仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，以盡量少的銑削試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工變形結(jié)果的預(yù)測(cè)，對(duì)曲邊薄壁結(jié)構(gòu)局部加工變形的控制研究具有參考意義。

1銑削試驗(yàn)及切削力回歸方程

為了實(shí)現(xiàn)鋁合金材料的銑削加工仿真分析，必須對(duì)有限元模型加載相應(yīng)的切削力，切削力數(shù)值的準(zhǔn)確性，將直接影響仿真分析結(jié)果，決定該仿真結(jié)果是否能夠貼近真實(shí)的銑削情況。

加載的切削力由銑削試驗(yàn)獲得，對(duì)銑削試驗(yàn)的介紹見1.1～1.4節(jié)。

1.1試驗(yàn)對(duì)象

選取2124鋁合金曲邊薄壁結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)對(duì)象，該試驗(yàn)件的三維模型如圖1所示，其關(guān)鍵尺寸為：曲邊側(cè)壁零件半徑200 mm，夾角100°，壁高28 mm，底座厚度2 mm。

圖1　試驗(yàn)件的三維幾何模型

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，試驗(yàn)機(jī)床為Mikron UCP710五坐標(biāo)高速加工中心(圖2(a))，測(cè)力系統(tǒng)由Kistler9265B動(dòng)態(tài)測(cè)力儀(圖2(b))、Kistler5059A電荷放大器(圖2(c))以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。Kistler9265B動(dòng)態(tài)測(cè)力儀采用壓電晶體傳感器，可同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向的切削力。

(a) 試驗(yàn)機(jī)床

(b) 動(dòng)態(tài)測(cè)力儀

(c) 電荷放大器

1.3試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)刀具采用山特維克公司φ10 mm整體立銑刀，齒數(shù)3個(gè)，螺旋角30°，前角γ0=20°，后角α0=15°。

1.4試驗(yàn)過程

利用上述儀器和刀具進(jìn)行銑削試驗(yàn)，改變不同的銑削參數(shù)，從動(dòng)態(tài)測(cè)力儀上分別讀出進(jìn)給方向、銑刀徑向切深方向、刀具軸方向的力。

1.5切削力與銑削參數(shù)的關(guān)系

選定的銑削參數(shù)如表1所示，測(cè)得不同參數(shù)組合下的切削力數(shù)值。

表1　切削力試驗(yàn)參數(shù)

切削力與銑削參數(shù)(轉(zhuǎn)速、切寬、切深、每齒進(jìn)給量)的關(guān)系分別如圖3～圖6所示，切削力的方向定義為：x軸表示進(jìn)給方向，y軸表示銑刀徑向切深方向，z軸表示刀具軸向。

圖3　轉(zhuǎn)速與切削力關(guān)系曲線

圖4　切寬與切削力關(guān)系曲線

圖5　切深與切削力關(guān)系曲線

圖6　每齒進(jìn)給量與切削力關(guān)系曲線

從圖3～圖6可以看出：進(jìn)給方向力Fx最大，軸向力Fz最?。晦D(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響很小，隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削力大小幾乎不變；而隨著切寬、切深和每齒進(jìn)給量的增加，三個(gè)方向的切削力都變大。

1.6切削力回歸方程

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過回歸分析得到切削力的經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

2銑削加工過程仿真分析方法

2.1工件材料的切除

利用“單元生死”技術(shù)去除毛坯材料，“死單元”對(duì)計(jì)算模型不提供剛度，而“活單元”能為計(jì)算模型提供完全剛度[15]，因此，“單元生死”技術(shù)可以被應(yīng)用于銑削仿真過程的模擬分析。待加工零件單元的切除與否也可用單元的“生”、“死”來模擬。

在有限元仿真分析中，將連續(xù)的銑削進(jìn)給過程分為一系列離散的“分析步”，每個(gè)“分析步”去除的單元尺寸由切削深度、切削寬度及進(jìn)給量來確定。將工件毛坯材料的切除過程轉(zhuǎn)化為毛坯有限元模型的單元網(wǎng)格在指定的“分析步”被“殺死”的過程，該過程視刀具為剛體，“單元生死”技術(shù)將銑刀隱藏處理，模擬過程不顯示刀具。

2.2切削力的加載

在模擬工件材料切除的過程中，不僅要將所要切除的材料以“單元生死”的形式去除，還要在已去除材料的工件表面施加相應(yīng)的切削力，以模擬真實(shí)的銑削加工過程。銑削仿真試驗(yàn)中，選取去除材料后工件表面上的四個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，將相應(yīng)的載荷平均加載到該四個(gè)節(jié)點(diǎn)上，以模擬切削力(切削力的大小則通過銑削試驗(yàn)獲得)。

2.3Abaqus的二次開發(fā)

銑削過程中，會(huì)有大量的工件材料被切除，仿真試驗(yàn)時(shí)，為了模擬這一過程，必須在選定的進(jìn)給步切除對(duì)應(yīng)的單元。故需設(shè)定大量的“生死單元”，并對(duì)去除材料后的已加工表面施加與之相對(duì)應(yīng)的載荷。

仿真分析過程通?？煞指顬槌砂偕踔翑?shù)千個(gè)進(jìn)給步，“生死單元”的設(shè)定其操作過程十分繁瑣、工作量巨大。針對(duì)這一問題，本文通過對(duì)Abaqus仿真軟件進(jìn)行二次開發(fā)，利用Python語言編寫腳本，并在仿真過程中運(yùn)行該腳本，以實(shí)現(xiàn)“單元生死”和切削力加載的循環(huán)操作，提高效率、減少工作量。

首先，根據(jù)曲邊薄壁結(jié)構(gòu)的走刀方式獲得其加工過程的刀具軌跡，如圖7所示。

圖7　零件加工刀具軌跡

然后，根據(jù)工件有限元模型的網(wǎng)格尺寸(由加工參數(shù)切寬、切深確定)，將獲得的刀具軌跡離散為若干個(gè)刀具的位置坐標(biāo)點(diǎn)，每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)該進(jìn)給步(即分析步)所需切除的單元集合。直線軌跡坐標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單元集合如圖8所示。

圖8　刀具直線軌跡坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單元

最后，通過遍歷Abaqus軟件的inp文件內(nèi)的信息，將坐標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單元放入單元集合。inp文件是Abaqus軟件存儲(chǔ)仿真分析模型信息的文件，其內(nèi)容包括模型的幾何數(shù)據(jù)、材料模型、單元類型等，如圖9所示。本文通過遍歷inp文件獲得每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)信息，根據(jù)其坐標(biāo)值判斷該節(jié)點(diǎn)所屬單元是否為刀具軌跡離散化的坐標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單元，而后決定是否將該單元放入相應(yīng)的單元集合。

圖9　Abaqus軟件的inp文件內(nèi)容

通過上述方法，實(shí)現(xiàn)了跟隨刀具軌跡，依次將工件有限元模型的單元網(wǎng)格設(shè)定為“生死單元”，為仿真分析過程節(jié)約了大量操作時(shí)間。

3仿真結(jié)果及分析

針對(duì)曲邊薄壁零件，銑削仿真試驗(yàn)中選取三種不同的走刀路徑進(jìn)行對(duì)比，所選的三種走刀路徑加工的剖面如圖10所示。圖10(a)為階梯對(duì)稱走刀方式，其銑削方式為：銑削側(cè)壁頂端的第一刀切深為ap/2，然后依次對(duì)稱銑削側(cè)壁的兩側(cè)，切深均為ap，銑削至側(cè)壁底部最后一刀切深為ap/2，將剩余工件材料切除；圖10(b)為等切深對(duì)稱走刀方式，即采用恒定切深ap，依次切除工件兩側(cè)材料；圖10(c)為單側(cè)走刀方式，即采用恒定切深ap，先切除工件一側(cè)材料，再切除另一側(cè)材料。

(a) 階梯對(duì)稱走刀(b) 等切深對(duì)稱走刀(c) 單側(cè)走刀

圖10零件的不同走刀路徑

Fig.10Various selected tool path of part

曲邊側(cè)壁類結(jié)構(gòu)仿真加工利用“單元生死”技術(shù)，選定的切削參數(shù)為：n=10 000 r/min，ae=3 mm，ap=2 mm，fz=0.15 mm/z，加載切削力數(shù)值由切削力回歸方程獲得。曲邊側(cè)壁類零件銑削仿真如圖11所示。

圖11　曲邊側(cè)壁類零件銑削仿真

在零件頂端、中部和底部選取三個(gè)位置高度(0、-15和-28 mm)作為對(duì)比點(diǎn)，測(cè)量這三個(gè)位置高度的最大變形量，以對(duì)比不同走刀路徑產(chǎn)生的變形大小，如圖12所示。可以看出：?jiǎn)蝹?cè)走刀方式的加工變形量明顯大于另外兩種走刀方式，原因是單側(cè)走刀方式先切除工件一側(cè)(設(shè)為A側(cè))材料，而當(dāng)切除另一側(cè)(設(shè)為B側(cè))材料時(shí)，由于A側(cè)材料已被完全切除，致使零件剛度較差，薄壁受到刀具切削力擠壓，彈性讓刀較大；而階梯對(duì)稱走刀方式，其采用變切深的銑削方式，在銑削薄壁一側(cè)時(shí)，另一側(cè)總是留有部分工件材料且高于正在加工一側(cè)的工件材料，充分利用了已切除一側(cè)工件的剩余剛度，故在切削力作用下的彈性讓刀量相對(duì)較小，零件的加工變形也較小。

對(duì)比不同位置的變形量，在工件頂端，單側(cè)走刀方式的變形量與另外兩種走刀方式差別較大，約為其變形量的40%，而隨著高度的不斷降低，其變形量與另外兩種走刀方式不斷接近，到底部時(shí)，三種走刀方式的變形量基本一致。這是因?yàn)椋簜?cè)壁頂端的剛度最小，隨著高度降低，剛度逐漸變大，由于采用對(duì)稱走刀的方式，充分利用了零件的剩余剛度，而單側(cè)走刀先切除一側(cè)材料再加工另一側(cè)，在剛度較小的工件頂部產(chǎn)生較大變形，而在剛度較大的工件底部，則與另外兩種對(duì)稱走刀方式相差較小。

圖12　曲邊側(cè)壁零件不同走刀路徑加工變形量對(duì)比

4試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行零件的銑削加工試驗(yàn)以驗(yàn)證有限元仿真分析結(jié)果的正確性，試驗(yàn)在Mikron UCP710五坐標(biāo)高速加工中心上進(jìn)行，銑削刀具采用山特維克公司φ10 mm整體立銑刀，選取階梯對(duì)稱走刀方式，試驗(yàn)參數(shù)為：n=10 000 r/min，ae=3 mm，ap=2 mm，fz=0.15 mm/z。

通過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，測(cè)得薄壁件最大變形量為0.025 2 mm，仿真結(jié)果為0.029 3 mm，二者偏差約為16.3%，在誤差允許范圍0～20%內(nèi)，表明仿真結(jié)果是可接受的。

5結(jié)論

(1) 基于Abaqus有限元軟件構(gòu)建了銑削加工仿真模型,利用Python語言編寫腳本程序，對(duì)Abaqus軟件進(jìn)行二次開發(fā)。實(shí)現(xiàn)了跟隨刀具的軌跡依次將工件有限元模型的單元網(wǎng)格設(shè)定為“生死單元”，為仿真分析過程節(jié)約了大量的操作時(shí)間。

(2) 根據(jù)銑削試驗(yàn)結(jié)果，選取三種走刀路徑，針對(duì)曲邊側(cè)壁結(jié)構(gòu)的加工讓刀變形進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明：階梯對(duì)稱走刀方式變形量最小，單側(cè)走刀方式變形量遠(yuǎn)大于另外兩種對(duì)稱走刀方式；隨著側(cè)壁高度的降低，差異逐漸減小，至工件底部三種走刀方式的變形量基本相同。

(3) 通過銑削試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的偏差為16.3%，在誤差允許的范圍內(nèi)，其結(jié)果是可以接受的。

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Simulation Analysis of Machining Deformation of 2124 Aluminum Curved Thin-walled Structures

Shen Yunfeng1, Zhao Yan1, Yang Shengguo1, Li Yongtong1, Fu Jiabao2,Su Honghua2, He Linjiang2

(1.Aerosun Company, Ltd., China Aerospace Science & Industry Corporation, Nanjing 210006, China)(2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:During the milling process, aluminum alloy structural parts are liable to produce the process deformation and flexibility to decline the knife. A simulation analysis method of milling process is proposed to achieve the prediction of machining deformation of curved thin-walled structures. The regression equation of cutting force are obtained by milling experiments under a series of different combinations of cutting parameters to provide the basis for the cutting force loading of simulation test. By using python language for secondary development of Abaqus simulation software, combined with the “model change” technology and three kinds of tool path, milling simulation analysis have been carried on for the machining deformation of curved thin-walled structure. The results indicate that: the deformation of stepped symmetrically tool path is of the minimum amount, and the amount of deformation of unilateral tool path pattern is much larger than two kinds of symmetrically tool path. With the reduced height of the side walls, the difference decreases, and at the bottom, substantially the same amount of deformation obtained. Finally, the reliability of the simulation analysis milling experiments is verified by milling experiment.

Key words:2124 aluminum alloy; curved thin-walled; milling; tool path

收稿日期：2016-01-20；修回日期：2016-02-25

通信作者：蘇宏華,shh@nuaa.edu.cn

文章編號(hào):1674-8190(2016)02-191-07

中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.02.009

作者簡(jiǎn)介：

申運(yùn)鋒(1978-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向：機(jī)械電子工程。

趙妍(1961-)，女，研究員。主要研究方向：機(jī)械制造。

楊生國(1978-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。

李永銅(1962-)，男，碩士，研究員。主要研究方向：機(jī)械制造。

付嘉寶(1988-)，男，碩士。主要研究方向：高效精密加工。

蘇宏華(1969-)，男，教授，博導(dǎo)。主要研究方向：難加工材料的切/磨/削加工、難加工材料及其結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。

何臨江(1989-)，男，博士研究生。主要研究方向：高效精密加工。

(編輯：馬文靜)