葉片零件數(shù)控加工誤差問題的模擬設(shè)計

熊建華

（江西省南昌理工學(xué)院 江西南昌 330000）

葉片零件數(shù)控加工誤差問題的模擬設(shè)計

熊建華

（江西省南昌理工學(xué)院 江西南昌 330000）

主要研究葉片零件在數(shù)控加工過程中可能存在的誤差，對于誤差產(chǎn)生的來源做了系統(tǒng)的闡述，重點是研究了葉片零件在數(shù)控加工中誤差的動態(tài)變化，為了真實的研究誤差的變化數(shù)據(jù)，研究者還設(shè)計了葉片零件加工模擬的有限元建模，對建模的過程及建模之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的研究，為解決葉片零件數(shù)控加工誤差提供了新的研究思路和現(xiàn)實基礎(chǔ)。

葉片零件 有限元建模 誤差分析

一、葉片零件數(shù)控加工誤差的常見情況

葉片作為較精密零部件，在應(yīng)用專用機(jī)床對于葉片類零件進(jìn)行一定的數(shù)控銑削進(jìn)程中，影響加工效率和零件質(zhì)量的因素很多，所以系統(tǒng)總結(jié)其加工誤差可能存在的情況顯得尤為重要。

（1）工件材料和結(jié)構(gòu)特性所引起的加工誤差

（2）機(jī)床裝夾因素所引起的加工誤差

（3）銑削加工中的切削力和切削熱所引起的加工誤差

（4）葉片零件加工路徑因素所引起的加工誤差

對于這些問題，文章將主要從總體的結(jié)構(gòu)、具體的材料、加工工藝等方面分析。

二、葉片零件加工過程數(shù)值模擬

葉片零件加工變形所帶來的誤差是影響著葉片實際零件加工精度的關(guān)鍵因素，在通過對于葉片零件加工詳細(xì)過程中所顯示的數(shù)值進(jìn)行模擬，由此可以更加深入分析加工零件變形的分布的具體規(guī)律，同時也能為變形誤差的補償提供一定的理論基礎(chǔ)，因此下面就葉片零件變形分布規(guī)律、實際的加工模擬等一系列問題進(jìn)行深入分析。

三、葉片零件加工模擬的有限元建模

關(guān)于在葉片加工物理仿真前必須在Advant Edge中輸入其相關(guān)葉片加工工藝具體參數(shù)；刀具材料主要為硬質(zhì)合金鋼，牌號是K20，主軸轉(zhuǎn)速n=1000r/min，每齒進(jìn)給量為fs=0.125mm/z，軸向切深為34.058-8.196，加工刀具從進(jìn)氣邊切入，從出氣邊切出，這樣導(dǎo)入加工模型和實際的加工刀具，就可對于葉片加工工藝過程中進(jìn)行相關(guān)三維物理仿真。

葉片零件加工過程較為復(fù)雜，一般來說，因有限元軟件很難對其加工過程過進(jìn)行一定的數(shù)值模擬，因其ANSYS功能強(qiáng)大，且使用非常靈活，本文將選用ANSYS作為本次葉片零件加工全過程的詳細(xì)分析軟件。在ANSYS里設(shè)置關(guān)于葉片材料的彈性模量、密度、泊松比、選擇單元型號；由于葉片曲面形狀較為復(fù)雜，所以很難在ANSYS里建立相關(guān)的三維模型，利用UG軟件構(gòu)建其主要的葉片模型，先轉(zhuǎn)換成iges格式，后導(dǎo)入到ANSYS里，隨后可進(jìn)行一定的網(wǎng)格劃分，本文采用相關(guān)映射網(wǎng)格方法劃分出一定的葉片網(wǎng)格。

輪轂與葉根的地方連接，在進(jìn)行加工的過程中，在機(jī)床上固定輪轂，所以在有限元模擬葉片零件加工時，可將葉根的地方進(jìn)行全約束，并對其施加載荷后，隨后可對其完成計算。

（1）葉片零件加工過程的有限元模擬

葉片零件加工屬于是使用刀具進(jìn)行連續(xù)切削的步驟，這對有限元模擬十分有利?？蓪⒓庸み^程劃分為多個切削位置，又因為銑削力的作用，在所有的切削位置上葉片都會產(chǎn)生彈性變形，所以只需在該切削處添加相應(yīng)的銑削力，就可完成在該切削點上葉片彈性變形值的求解。而所有的切削點求解的葉片彈性變形值，都能當(dāng)作為一個載荷步。所以，模擬葉片零件在進(jìn)行加工過程中的數(shù)值，可將其向求解ANSYS多載荷步相關(guān)的問題進(jìn)行轉(zhuǎn)變，每個位置所擁有的刀具銑削力就是所有載荷步所擁有的載荷。

（2）計算結(jié)果分析

對載荷步數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在葉片寬度的節(jié)點上會平均加載所有的載荷步銑削力，使用的是集中載荷方式，計算任意單獨的載荷步時，會使得剩下的載荷步失效，維持到計算完全部的載荷，對所有載荷步下相應(yīng)的刀位應(yīng)變云圖、葉片應(yīng)力等進(jìn)行提取，并計算全部的節(jié)點的位移值。首個載荷步與末尾載荷步所擁有的節(jié)點應(yīng)變云圖具體情況如圖（a）、（b）所示，由圖可得，葉片葉尖處屬于是最大的變形位置，葉根處發(fā)生的變形最小。對其原因進(jìn)行分析，由此可得，葉尖處與輪轂二者距離較遠(yuǎn)，其擁有剛度十分小，因此有著很大的加工變形值。為了對加工葉片零件的過程中的變形規(guī)律進(jìn)行更加深入的分析，將葉片在高度的方向上將其劃分為10等份，在長度方向上將其劃分為100等份，之后站在這兩個方向上，詳細(xì)分析了葉片所擁有的變形規(guī)律。

葉片零件加工變形規(guī)律見圖所示：

葉片零件加工變形規(guī)律分析圖

觀察葉片變形坐標(biāo)系圖具體情況如圖（a）所示，而U、V主要指的是葉片在兩個不同方向上的相關(guān)參數(shù)，U主要指的是葉片在長度方向上的參數(shù)，而V主要指的是葉片在高度方向上的參數(shù)，U的具體方向是從葉片葉尖處的出氣邊指向進(jìn)氣邊這一方向，而V的具體方向主要是葉尖處的出氣邊指向葉根處的出氣邊這一方向。

葉片整體曲面變形規(guī)律具體情況如圖（b）所示，參考此圖不難發(fā)現(xiàn)，存在于出氣邊上的葉尖處擁有最大的葉片變形值，U=0到U=60的地方擁有較小的葉片變形值，也不會發(fā)生較大的變化，與零相近，因此在補償葉片誤差的過程中，做需要對U=60到U=100的部分來實施補償。在加工葉片的過程中，輪轂與葉根相連接，葉根與葉尖相比，擁有更大的剛度，因此，葉尖處相應(yīng)的將會擁有更大的變形值，進(jìn)氣邊所擁有的葉片懸臂長度與出氣邊相比要長的多，并且進(jìn)氣邊相對于出氣邊而言擁有更大的銑削力，因此，葉片進(jìn)氣邊與出氣邊相比，擁有更大的變形值。

葉片U向變形規(guī)律，葉片的V=0、U=100處將會產(chǎn)生最大變形，該變形值最大為0.074mm。而U=100到U=0位置的變形值呈現(xiàn)減小的趨勢，其中，U=30到U=0這一段中，葉片幾乎沒有發(fā)生變形，如果是U相同的情況下，從V=0到V=10這一段中變形值呈現(xiàn)減小的趨勢。

葉片V向變形規(guī)律，同樣是在V=0、U=100處會產(chǎn)生最大變形，而V=0到V=10位置的變形值呈現(xiàn)減小的趨勢，在U=60到U=0這一階段中，葉片幾乎沒有發(fā)生變形。如果是V相同的情況下，從U=100到U=0這一段中變形值呈現(xiàn)減小的趨勢。

四、論文的意義

本文研究了葉片零件的誤差以及模擬實際加工中誤差的動態(tài)變化，這對于減少甚至消除葉片零件加工過程的誤差問題十分重要，有了文章中的理論基礎(chǔ)，就能更好的研究誤差補償?shù)脑O(shè)計，為加工葉片零件制造業(yè)的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。

[1]蔡永林;林立;黃澤華;薄壁葉片加工誤差分析與預(yù)測[J];北京交通大學(xué)學(xué)報;2012年01期

[2]徐飛飛;整體薄壁結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力預(yù)測與銑削加工變形研究[D];大連理工大學(xué);2010年