龐　璐，左建華，盧繼平，王菲菲，張純喜

(北京理工大學，北京 100081)

弱剛度零件熱力耦合建模及其加工變形分析

龐璐，左建華，盧繼平，王菲菲，張純喜

(北京理工大學，北京 100081)

摘要：弱剛度零件剛度小，加工時在切削力和切削熱等多種因素的影響下易發(fā)生變形，變形形式復雜多樣，不易控制，這類問題成為近年來研究的熱點。以簡單的框類弱剛度零件為代表，確定其材料本構關系，建立零件的熱力耦合模型，并利用有限元分析軟件模擬其加工過程，得出零件加工過程中的溫度場和應力場的分布并預測其變形。通過對比大切深和分層銑削2種加工方式得出在一定范圍內減小切削深度ap可有效控制弱剛度零件變形的結論。

關鍵詞：弱剛度件；有限元；熱力耦合；加工變形

弱剛度結構件廣泛應用于航空、能源和船舶等制造加工業(yè)，由于其具有剛度小、尺寸精度高、加工周期長和工藝性差的特點，在切削力、切削熱及切削振顫等因素影響下，易發(fā)生加工變形，且變形形式多樣，加工精度不易控制[1]。常見的弱剛度結構件主要有3種，即回轉類弱剛度結構件、筋條類弱剛度結構件和框類弱剛度結構件。本文以簡單框類弱剛度件為例進行分析，加工過程中引起弱剛度結構件變形的因素有很多，包括工件、刀具、機床、夾具及其他因素，各種因素耦合作用，交互影響。弱剛度結構件加工變形的影響因素如圖1所示。

圖1　弱剛度結構件加工變形影響因素

近年來，弱剛度結構件的變形問題引起了廣泛的關注，國內外很多學者都進行了這方面的研究[2-4]，基于熱力耦合因素影響下的變形研究也取得了一定的成果。呂成等[5]建立了某鈦合金鍛件鍛造過程的三維熱力耦合有限元模型，得到了變形過程中鍛件的充型情況以及溫度場和應力場的場量分布，并對鍛造缺陷的成因進行了分析。顏怡霞[6]利用動態(tài)顯式積分有限元程序對金屬的切削過程進行了三維熱力耦合分析，給出了切削過程中工件和切屑溫度、應力和應變分布的變化情況，從而得到了切削速度對不同形貌的切屑形成的影響。李虎等[7]基于通用有限元軟件ABAQUS建立符合實際的鈦合金薄壁殼體強旋熱力耦合三維彈塑性有限元模型，分析了TA15鈦合金薄壁殼體熱旋過程中溫度場、應力場、應變場和壁厚的分布及旋輪圓角半徑對貼模性能的影響。

盡管基于熱力耦合的弱剛度件銑削加工仿真研究得到了深入的開展，但目前還存在一定的不足，例如在建模過程中多數(shù)為了簡化，以圓柱代替銑刀的外形結構，導致分析結果存在某種程度的失真；一些研究將溫度場作為熱載荷施加到應力場進行間接耦合分析，從而不能充分考慮熱效應對工件變形的影響。本文以弱剛度零件加工變形為研究背景，以熱力耦合建模技術為基礎，針對某個簡單框類弱剛度件加工的某一工序進行仿真，充分考慮了刀具與工件的摩擦及彈塑性變形產生熱、刀具與工件之間的熱傳導等因素，預測了工件的變形情況。

1銑削過程有限元仿真

1.1本構關系模型建立

本構關系是材料的固有屬性，是材料變形過程中應遵循的客觀規(guī)律。材料的特性不同，在其加工過程中所體現(xiàn)的可切削加工性也相應的不同，所產生的切削力和切削熱隨之不同，從而在零件已加工表面產生較大的彈塑性和熱塑性變形，最終導致零件產生的加工變形不同；因此，構建能夠真實反映被加工材料特點的材料本構關系模型是保證加工過程動態(tài)數(shù)值模擬結果正確性和可靠性的前提。

切削仿真研究人員通常使用的材料本構關系有：Johnson-Cook本構關系模型(JC模型)、Zerilli-Armstrong本構關系模型和Bodner-Partom本構關系模型。JC模型主要考慮了應變率效應和溫度效應，對于弱剛度件，熱力耦合變形描述比較吻合，所以本文采用這個模型，其形式為：

1.2熱力耦合模型建立

零件側壁變形分析的幾何模型示意圖如圖2所示，框體尺寸為100 mm×60 mm×25 mm，圓角半徑為7 mm，側壁粗加工完成后厚度為3 mm。零件材料為普通碳素結構45#鋼，由于是精加工，采用四刃圓柱立銑刀，銑刀直徑為10 mm，前角為10°，后角為15°，螺旋角為30°。在對刀具和工件劃分網格時， 兩者的單元類型均選取六面體八節(jié)點熱力耦合單元C3D8RT，工件網格劃分采用局部加密劃分方式，在被切削的部位劃分的網格較密。由于刀具剛度比工件的剛度大的多，刀具的變形遠小于工件的變形，故將刀具設置為剛體。環(huán)境溫度設置為25 ℃。加工中采用真空吸盤裝夾，因此模型底部可以被認為剛度很大，對分析模型的底部節(jié)點施加全部約束。由于分析側壁精加工變形，采用順銑的銑削方式，順銑的切屑厚度為從大到小變化，這樣可以保證切屑的產生是因切削產生而不是被擠壓出來的，從而不會影響工件的表面質量。工件賦予邊界條件并劃分網格后的結果如圖3所示。

圖2　工件幾何模型示意圖　圖3　工件與刀具的裝配圖

2仿真結果與分析

2.1零件加工變形

模擬零件側壁的精加工過程，加工參數(shù)為：銑削深度ap=25mm，銑削寬度ae=1mm，每齒進給量fz=0.05mm/z，主軸轉速n=1 000r/min。刀具與工件剛接觸時工件的變形情況如圖4所示。金屬切削過程中有3個主要的變形區(qū)，即由晶粒剪切滑移形成切屑的第一變形區(qū)，由切屑與前刀面的擠壓和摩擦形成的第二變形區(qū)以及由已加工表面與后刀面擠壓和摩擦形成的第三變形區(qū)。從仿真結果可以看出，工件最大變形出現(xiàn)在第一變形區(qū)，這與金屬切削理論是相符的。為了更直觀地反映工件的變形情況，如圖5所示，沿著刀具進給方向，即X軸方向選取一系列節(jié)點形成1個路徑，然后在側壁中間位置自上而下取一系列節(jié)點，沿Z軸方向形成1個路徑，由于工件變形主要是Y軸方向的變形，故繪制出工件沿這2個路徑在Y軸方向的加工變形圖，如圖6和圖7所示。

圖4　刀具與工件剛接　　　圖5　選取節(jié)點示意圖　觸時的變形圖

圖6　工件沿X軸方向節(jié)點在Y軸方向上的變形圖

圖7　工件沿Z軸方向節(jié)點在Y軸方向上的變形圖

由于工件首末兩端的剛度小于中間的剛度，因此變形最大，圖像呈凹形。沿著Z軸從頂至底，工件的剛度依次降低，因此工件頂端的變形值要大于工件底端，圖像整體呈上升趨勢。

2.2溫度場與應力場分布

側壁加工過程中在t=1.55 s時刻的應力分布和溫度分布狀況如圖8和圖9所示。從圖8可以看出，最大應力出現(xiàn)在加工部位附近區(qū)域，在刀刃與工件接觸部位和側壁與腹板接合部位形成局部應力集中，遠離加工區(qū)域的應力不斷進行自平衡而逐漸減小，其他區(qū)域應力不斷進行重新分布。從圖9可以看出，加工過程中的溫度分布與應力分布有相似之處，在加工部位的附近區(qū)域溫度最高，遠離加工部位的區(qū)域由于熱傳導而使溫度重新分布，并在熱交換影響下不斷減小，最終達到室溫。上述說明在弱剛度件加工過程中，切削熱是切削過程中不容忽視的參量之一，大量的切削熱使得切削溫度升高，這將直接影響刀具的壽命以及工件材料的性能、加工精度和已加工表面的質量等。應力場和溫度場的分布規(guī)律和黃志剛等[9]研究飛機整體框類薄壁件銑削得出的分布規(guī)律基本一致。

圖8　工件側壁某時刻的應力分布

圖9　工件側壁某時刻的溫度分布

2.3大切深及分層加工零件的變形對比

為控制弱剛度件的加工變形，應合理選取切削參數(shù)，其中銑削深度ap是考慮的關鍵因素之一。在一定范圍內減小ap時，切削力會減小，變形也會隨之減小。上述的模擬過程是一次進給完成工件的側壁加工，即切削深度取25 mm，現(xiàn)分別取為18、15、12.5、5和2 mm，其他參數(shù)保持不變，對工件進行切削模擬。為了更直觀地比較大切深及分層加工對零件變形的影響，將這5次模擬得到的工件側壁同一位置處的變形進行對比(見圖10)。從圖10可以看出，分層切削情況下的工件變形明顯小于大切深情況下的工件變形。當切削深度取2、5和12.5 mm時，工件的變形差異較為明顯，但隨著切削深度進一步增大，工件變形增加趨勢變得較為平緩。這是因為當切削深度大到一定程度時，切削力會基本保持不變，對工件的變形影響也會變小，所以當精度要求不是很高時，應盡量選用較大的切削深度以提高生產效率。經過對比分析可知分層加工對于控制弱剛度件加工變形具有重要意義。

圖10　不同切削深度下工件變形值對比圖

3結語

本文圍繞弱剛度件加工變形問題，針對某個具體的框類弱剛度結構件進行了熱力耦合加工模擬，以預測其變形，為有效控制弱剛度結構件加工變形打下了基礎。為了更貼近實際，建立了整體硬質合金立銑刀銑削框類弱剛度件的熱力耦合模型，直觀地模擬其銑削過程，模擬分析了工件整體變形情況，并通過選取節(jié)點的變形值繪制了加工變形圖。得出了工件加工過程中某時刻的應力及溫度分布，分析了工件加工過程中應力及溫度的分布規(guī)律，這與前人的研究成果基本一致，也驗證了本模型的可靠性。對比了工件在大切深和分層加工2種加工方式下的變形情況，得出了在一定范圍內減小ap，則變形會隨之減小的結論。

本文也有一定的不足之處，在數(shù)值模擬過程中沒有考慮到刀具磨損等方面的因素。在材料模型方面，本文選用的Johnson-Cook本構模型雖然應用很廣泛，但是否有更符合的材料模型還需要進一步探討；另外，受到計算時間和設備的限制，本文選取的零件比較簡單，對于更為復雜的弱剛度件的變形問題還需要進一步研究。

參考文獻

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責任編輯李思文

美國LTC公司實現(xiàn)復合材料裝甲大幅減重

作為復合材料裝甲系統(tǒng)的領先開發(fā)商，美國堪薩斯州威奇托市的LTC(Leading Technology Composites)公司使用的最新創(chuàng)新成果生產出了裝甲工業(yè)界質量最輕、強度最高的裝甲系統(tǒng)。在車輛平臺上對這些裝甲系統(tǒng)初步集成后，相較于傳統(tǒng)裝甲系統(tǒng)，減重可達25%～45%；同時，在防彈衣插件等個人防護產品中，減重也可達10%～20%。LTC公司還開發(fā)出了船舶或兩棲車輛的輕量裝甲系統(tǒng)。通過將該公司X-treme加工系統(tǒng)(X-treme processing system，XPS2)應用于DSM Dyneema公司最新最先進的超高分子量聚乙烯材料加工，可以前所未有地降低裝甲材料的面密度。XPS2工藝要求在材料固化過程中保持一套嚴格控制的工藝參數(shù)。在固化工序之后，二次冷加工和熱加工進一步提高防彈性能，最終的性能有巨大提高。這些裝甲系統(tǒng)采用DSM Dyneema公司力量倍增器技術(force multiplier technology)制造，產品實現(xiàn)了優(yōu)良的防彈性能、最輕的質量、最小的外形尺寸等方面的良好匹配。

——摘自國防在線網

Analysis of Machining Deformation of Low-rigidity Parts based on Coupled Thermal-mechanical Model

PANG Lu, ZUO Jianhua, LU Jiping, WANG Feifei, ZHANG Chunxi

(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:Because of its poor rigidity, Low-rigidity parts are more likely to appearing deformation in machining due to cutting force, cutting heat and other factors. And it is difficulty to control, which attracts much attention in recent years. In the paper, the constitutive relation and coupled thermal-mechanical model of a simple frame low-rigidity part were made to simulate the machining process by using the finite element method, and drew the distribution of temperature field and stress field and predict its deformation. By comparing the large depth of cut and layered milling processing methods, a conclusion was made that reducing the cutting depth can effectively control deformation of the low-rigidity parts within a certain range.

Key words:low-rigidity parts, finite element method, coupled thermal-mechanical, machining deformation

收稿日期：2014-05-21

作者簡介：龐璐(1990-)，女，碩士研究生，主要從事弱剛度結構件加工變形等方面的研究。

中圖分類號：TG 506.4

文獻標志碼：A