輔助支撐對(duì)薄壁件加工變形影響的數(shù)值模擬研究

彭應(yīng)征

（益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南益陽 413000）

0 引言

經(jīng)研究調(diào)查可知，高強(qiáng)度航空鋁合金薄壁件逐漸被廣泛的應(yīng)用的這類零件在切削技工的時(shí)候以一旦受力就會(huì)產(chǎn)生變形。因此，為了保證薄壁件加工的精確度，通常需要應(yīng)用一系列復(fù)雜的工藝，并且還要為加工配置一些必要的裝備。該方法雖然能有效解決這一問題，但與此同時(shí)也將產(chǎn)生缺點(diǎn)，如：費(fèi)時(shí)費(fèi)力、生產(chǎn)周期成、成本較高等。然而，輔助支撐在其中的應(yīng)用則可以在解決該問題的同時(shí)，避免不良因素產(chǎn)生。針對(duì)輔助支撐對(duì)薄壁件加工變形影響的數(shù)值模擬研究，本文首先將對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)銑削加工難點(diǎn)進(jìn)行分析，然后對(duì)銑削過程中的數(shù)值模擬進(jìn)行研究，最后給出仿真結(jié)果，促使薄壁件加工效率能夠得以提升。

1 薄壁結(jié)構(gòu)銑削加工難點(diǎn)

據(jù)研究調(diào)查可知，國外現(xiàn)在應(yīng)用的整體薄壁結(jié)構(gòu)件最大尺寸已經(jīng)超過了20 m，壁厚小于0.4 mm，然而我國卻只能實(shí)現(xiàn)1.5 mm 以上厚度的薄壁整體結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定生產(chǎn)加工。該現(xiàn)象的存在無疑將給今后對(duì)新機(jī)研制中的結(jié)構(gòu)重量控制帶來很大的困難。

2 輔助支撐對(duì)薄壁件銑削過程中的數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬中，將選擇Abaqus/expulicit 為銑削過程中的數(shù)值模擬求解器，Abaqus/expulicit 作為該過程中的求解器可采用顯示動(dòng)態(tài)有限原法。

2.1 銑削的有限元模型

通過有限元模型中的銑削模擬情況可知，薄壁件和支撐體可應(yīng)用八個(gè)階段雙線性縮減節(jié)分實(shí)體單元讓其結(jié)構(gòu)簡單化。在前處理器中可對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行直接分化。具體細(xì)化如下：薄壁件寬3 cm、高2 cm、長7 cm，厚3 mm，基本高度為5 mm。在該過程中需選用的刀具類型為四節(jié)點(diǎn)線性單位。但是由于刀具結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，所以在選用的過程中可選在Hypermesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在將劃分好的單位導(dǎo)入到Abaqus 當(dāng)中。在銑刀的選擇上，需要選擇直徑為8 mm，齒數(shù)為4，前角與后角分別為10°與14°，螺旋角為45°的銑刀。當(dāng)銑刀到達(dá)該標(biāo)準(zhǔn)后就可先把銑刀應(yīng)用到Abaqus 的單位有限元網(wǎng)格中。在進(jìn)行約束添加的時(shí)候，需注意的是應(yīng)對(duì)薄壁件地面的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束。銑削參數(shù)可設(shè)置為深度15 mm、速度60 m/min、寬1 mm。在仿真模型中，可將銑刀設(shè)置成剛體，并以選取刀具定點(diǎn)中心為參考點(diǎn)，這樣就可在完成仿真的同時(shí)，方便后續(xù)模擬對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的設(shè)置。

2.2 材料模型

由于切削過程中的變形通常更是在高溫與大應(yīng)變產(chǎn)生的，所以切削層中的各個(gè)地方應(yīng)變與應(yīng)變速率都將發(fā)生較大的變化并且能夠反映應(yīng)變與應(yīng)變速等材料流動(dòng)影響的模型。由此可見，其在切削仿真中非常重要。通過我國對(duì)該方面內(nèi)容現(xiàn)有的研究可知，Johnson-Cook 本構(gòu)模型對(duì)應(yīng)變速率下的熱粘塑性變形行為進(jìn)行了不錯(cuò)的描述。模型形式如下：

在該結(jié)構(gòu)式中，描述材料應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)的是第一項(xiàng)，描述流動(dòng)應(yīng)力伴隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變速率不斷增加的關(guān)系是第二項(xiàng)，而第三項(xiàng)主要描述的是流動(dòng)應(yīng)力隨溫度指數(shù)降低的關(guān)系?；诖?，根據(jù)上述薄壁件材料，在Johnson-Cook 本構(gòu)模型中，A 為490，B 為203.9，C 為0.005，n 為0.344，m 為1.8。

2.3 切削分離準(zhǔn)則

在有限元仿真過程中，可以應(yīng)用Abaqus 中初始損傷準(zhǔn)則與損傷演化準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬切削從工件上的分離。初始損傷準(zhǔn)則可采用延性準(zhǔn)則，延性準(zhǔn)則式子為

根據(jù)該式可知，當(dāng)ω 達(dá)到1 的時(shí)候，工件材料的剛度將發(fā)生退化現(xiàn)象，此時(shí)，損傷演化判據(jù)描述了材料達(dá)到初始損傷判據(jù)時(shí)材料研究矩陣的退化速率。當(dāng)材料開始分解時(shí)，應(yīng)力的應(yīng)變曲線也將無法在對(duì)材料的行為進(jìn)行精確的描述。如在此時(shí)依舊堅(jiān)持對(duì)應(yīng)力應(yīng)變化曲線進(jìn)行使用，則會(huì)出現(xiàn)因應(yīng)變過于集中導(dǎo)致的變化過分依靠建模時(shí)所畫的網(wǎng)格。

3 仿真結(jié)果

通過沒有輔助支撐條件下的薄壁件加工結(jié)果可知，薄壁件的最大實(shí)現(xiàn)量為0.206 mm，薄壁件的最大變形量為0.061 mm。通過對(duì)比可知，顯然有輔助支撐的加工變形量要小于沒有輔助支撐的加工。除此之外，為了對(duì)沒有輔助支撐與有輔助支撐這兩種不同條件下的加工變形情況有更為全面的對(duì)比，可以從仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)中，取出加工后的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這樣就可得到輔助支撐對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工后產(chǎn)生的影響。另外，在薄壁件三維模型中可知，變形數(shù)據(jù)U 在X 方向上從節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 提取沿Z 方向，和提取時(shí)間間隔是5 mm。根據(jù)變現(xiàn)數(shù)據(jù)繪制變形圖形（圖1）。

圖1 A 到B 節(jié)點(diǎn)有、無支撐變形曲線

沿Y 方向進(jìn)行提取，Z=18 mm、Z=35 mm，X=3 mm，Y 等于0～20 以2 mm 的間距提取節(jié)點(diǎn)X 方向上的變形數(shù)據(jù)U。根據(jù)變形數(shù)據(jù)繪制和編制變形圖（圖2、圖3）。

根據(jù)圖1 可知，在沒有輔助支撐的條件下，0.008～0.206 mm是A 到B 之間的節(jié)點(diǎn)變形量變化范圍。由此可見，整體的變化相對(duì)還是比較大的。相反，通過有輔助支撐的仿真結(jié)果可知，A到B 節(jié)點(diǎn)變形量的變化范圍為0.003～0.062 mm，節(jié)點(diǎn)整體變形量相對(duì)穩(wěn)定。而相對(duì)沒有輔助支撐，有輔助支撐的薄壁件加工變形量較小，其原因主要在于：在沒有輔助支撐的情況下，隨著工件材料的去除，工件的剛度會(huì)不斷降低，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)加工區(qū)域總是小于加工區(qū)域的變形。在輔助支承條件下，工件的剛度大致相同，因此工件的變形也較為相似。通過對(duì)兩種情況下工件的變形量進(jìn)行綜合分析，可以看出有輔助支撐的工件的變形量要小于無輔助支撐的工件的變形量。這是因?yàn)樵诩庸み^程中，輔助支架增加了工件的剛度，減少了刀具的變形。根據(jù)圖2、圖3可知，在沒有輔助支撐的條件下，提取點(diǎn)從Y=0 逐漸增加到Y(jié)=20，而在有輔助支撐的條件下，提取點(diǎn)則從Y=0 到Y(jié)=20 的變形量變化則不是特別明顯。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要是：在沒有輔助支撐的條件下，工件根部的剛度大于工件頂部的剛度，在有輔助支撐的條件下，根部之間的剛度和工件的頂部是相似的，穩(wěn)定性相對(duì)較好。將這3 個(gè)圖進(jìn)行綜合對(duì)比可看出，無論是沿Z 節(jié)點(diǎn)方向移動(dòng)移，還是沿Y 節(jié)點(diǎn)方向移動(dòng)，在沒有輔助支撐的情況下，工件變形量都將比有輔助支撐的工件變形量大。基于此，在加工的時(shí)候，必須重視輔助支撐在其中的合理應(yīng)用。這就是輔助支撐對(duì)薄壁件加工變形影響的數(shù)值模擬研究結(jié)果，有關(guān)人員需要對(duì)其加以重視，進(jìn)而對(duì)薄壁件變現(xiàn)控制的研究提供有效參考。

圖2 Z=18 mm、X=3 mm 處有、無支撐變形曲線

圖3 Z=35 mm、X=3 mm 處有、無支撐變形曲線

4 結(jié)束語

針對(duì)薄壁件加工變形影響，本文主要應(yīng)用了商業(yè)有限元分析軟件對(duì)銑削薄壁件銑削過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在數(shù)值模擬的過程中獲取到來有支撐條件與沒有支撐條件下的工件變形數(shù)據(jù)。通過對(duì)這兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，在銑削過程中輔助支撐的存在非常重要，其對(duì)減少薄壁件加工變形率有著積極作用。