摘 要：某航空零件為環(huán)型薄壁結構，在較大銑削力和夾緊力的作用下，容易發(fā)生彈性變形。結合工廠工況，采用有限元分析方法，利用經(jīng)驗公式計算出銑削力和夾緊力的大小并運用ANSYS軟件，定量分析出工件彈性變形對加工精度的影響。同時為后續(xù)分析影響航空零件加工精度的主要因素提供理論依據(jù)。

關鍵詞：彈性變形；有限元；ANSYS

中圖分類號：TD50

某航空零件為燃氣機燃燒室單元體的主要部分，主要整流燃燒室出口溫度達到1288攝氏度。該零件為Ni-Co耐高溫合金其主要加工工序為大小弧段和兩側邊的上下槽，且最小加工尺寸精度為±0.12mm。由于航空零件為環(huán)型薄壁結構，在受到較大銑削力和夾緊力的作用下容易發(fā)生彈性變形，從而影響零件的加工精度。目前針對工件彈性變形主要是在殘余應力的基礎上進行研究，大致分為機械測定法和物理測定法[1]。而國內外針對這方面主要采用低熔點合金支持法、應力分析控制法[2]等。結合工廠的實際情況，采用有限元分析方法，利用經(jīng)驗公式計算出工件所受銑削力和夾緊力的大小并運用ANSYS軟件，定量分析出工件彈性變形對加工精度的影響。同時為后續(xù)分析影響航空零件加工精度的主要因素提供理論依據(jù)。

1 銑削力和夾緊力的計算

在銑削零件時，所采用的銑刀為立式銑刀，工件在加工中主要受到垂直銑削分力Fv的作用。通過查《實用銑工手冊》[3]，得到主銑削力Fz的經(jīng)驗計算公式：

結合實際加工，粗銑內外型面的主要切削參數(shù)分別為：主軸轉速n=219r/min，進給速度Vf=126mm/min，切削深度ap=0.5mm。由于工件材料為高溫合金鋼，刀具材料為M42，由《實用銑工手冊》查得各參數(shù)依次為：Cpz=68；t=0.5mm；Sz=0.05mm/z；B=46.99mm；Z=5；D=24mm；K=1.1；K1=1。將上述參數(shù)代入上式（1）得到主銑削力Fz為686N。

通過查手冊中的各銑削力的經(jīng)驗比值表，選取Fv/Fz為0.8，則Fv=0.8×686=548.8N。

設工件受壓板夾緊力為Fp，根據(jù)經(jīng)驗取夾緊力為銑削力的5-10倍，本文取為8，F(xiàn)p=8×548.8=4390.4N。在實際裝夾中受四塊壓板的作用，平均每塊壓板對工件施加的夾緊力Fp’= =1097.6N。綜上所述垂直銑削分力Fv為548.8N，每塊壓板對工件的夾緊力Fp’為1097.6N。

2 工件的有限元分析

有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結構離散成有限單元，并在每個單元中設定有限節(jié)點，將連續(xù)體看作只在節(jié)點處連續(xù)的一組單元的集合體；同時選定場函數(shù)的分布規(guī)律，進而運用力學的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元法方程，利用解得的節(jié)點值和設定插值函數(shù)來確定單元以上以至整個集合體上的場函數(shù)[4]。近年來，有限元法已成為解決各種問題的強有力的工具，常用分析軟件有NASA、ASKA和ANSYS軟件等。

由于該零件相對于毛坯的原始尺寸而言，內外型面的銑削余量較大，因此進行有限元分析時，只需分析銑削內外型面所產(chǎn)生的彈性變形，圖1為工件彈性變形的分析流程圖。

2.1 幾何模型的建立

2.2 材料模型的選取

工件材料的變形為完全彈性變形且各向同性。單元類型選用Solid/Brick 8node 45，密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3。

2.3 網(wǎng)格劃分

2.4 添加約束

根據(jù)工件的實際裝夾，為了使銑削工件的內外型面和槽的尺寸滿足加工精度要求，必須保證工件在銑削時不發(fā)生沿X、Y、Z軸的平動和轉動。結合實際加工情況，工件與銑床工作臺是面接觸，且工件底面為全約束。

2.5 加載

通過計算得到垂直銑削分力Fv為548.8N，平均每塊壓板的夾緊力Fp’為1097.6N，力的加載方式選用在模型節(jié)點上加集中載荷。由于工件關于y軸對稱，因此分析工件受銑削力和夾緊力的情況，只需選取五個位置：大小弧段及直側邊的中間位置和連接大小弧段與直側邊的兩圓弧段。

3 結果分析

由于對零件進行有限元分析屬于基本的結構靜力分析，所選用的求解器可采用系統(tǒng)默認的直接解法，并在求解模塊（solution）中進行運算。完成計算以后，可通過ANSYS的后處理模塊來查看計算結果。由于工件彈性變形對加工精度的影響主要體現(xiàn)在加工尺寸上，因此在后處理結果中，主要查看節(jié)點位移量。在銑削力和夾緊力的作用下，其X、Y方向的節(jié)點最大位移量。

4 結束語

（1）利用ANSYS軟件對航空零件進行有限元分析，得到X方向和Y方向節(jié)點的最大位移分別為-0.73515E-7mm和0.68164E-7mm。由于零件最小加工尺寸精度為±0.12mm，因此工件的彈性變形對零件加工精度的影響較小，可忽略掉。

（2）定量分析出工件彈性變形對加工精度的影響，為后續(xù)分析影響航空加工精度的主要因素提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]余偉.基于殘余應力的航空薄壁件加工變形分析[D].南京航空航天大學，2004.

[2]王衛(wèi)鋒，韓大建，羅文結.一種新的殘余應力測試方法[J].浙江大學學報，2005（03）：368-372.

[3]沈海珊.實用銑工手冊[M].上海：北京科學技術出版社，1982：38-41.

[4]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]閆伍平，黃成.UG NX8.0技術大全（中文版）[M].北京：人民郵電出版社，2013：104-367.

作者簡介：袁琪（1981-），女，湖北武漢人，碩士，教師，主要研究方向：機械設計及理論。

作者單位：湖北職業(yè)技術學院 機電工程學院，湖北孝感 432000

基金項目：本文為湖北職業(yè)技術學院重點立項課題《某環(huán)型零件加工精度及其關鍵技術的研究》階段性研究成果（項目編號：2013 A05）。