趙文輝，段振云，戴現(xiàn)偉

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

基于變形預(yù)測的簿壁粱架加工工藝優(yōu)化*

趙文輝，段振云，戴現(xiàn)偉

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

為了減少簿壁梁架加工變形，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元加工仿真，獲得已加工表面殘余應(yīng)力，預(yù)測梁架加工變形。分析不同切削用量對加工變形量的影響，優(yōu)化切削用量，進(jìn)行變形預(yù)補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，對梁架整體加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。機(jī)翼顫振模型簿壁梁架的加工證明該方法可以有效提高簿壁件加工的質(zhì)量和效率。

簿壁梁架；殘余應(yīng)力；變形預(yù)測；預(yù)補(bǔ)償；工藝優(yōu)化

0 引言

薄壁件在航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，控制其加工變形是難點(diǎn)，利用有限元模擬技術(shù)對銑削加工過程進(jìn)行仿真，模擬薄壁件加工變形是研究熱點(diǎn)之一［1-4］。機(jī)翼顫振模型是進(jìn)行飛機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的縮比模型。梁架是它的主要傳力構(gòu)件，其加工質(zhì)量直接影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于其去除率高和弱剛度等薄壁件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在加工中容易變形，加工后殘余應(yīng)力的重新分布會造成零件在加工后的尺寸不穩(wěn)定［5-6］。同時，由于剛度弱，加工時工件的顫振嚴(yán)重影響表面質(zhì)量［7］。本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行切削仿真，模擬殘余應(yīng)力的大小和分布，預(yù)測加工變形量，對加工變形進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，進(jìn)而改進(jìn)整個加工工藝，提高質(zhì)量和效率。

1 加工工藝性分析

該機(jī)翼梁架是由前端翼面、翼梁、翼肋和后端翼面組成的復(fù)雜薄壁件結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。梁架的長度980mm，厚度22mm，長高比45.5。梁架的尺寸精度為IT7，表面粗糙度要求為Ra3.2。由于整體形狀為自由曲面，所以采用三坐標(biāo)數(shù)控銑加工。除了弱剛度等薄壁件共有特點(diǎn)，梁架的加工還存在以下難點(diǎn)。①雙面都為自由曲面；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多個井字形框架結(jié)構(gòu)；③毛坯材料為45#鋼，厚度25mm，材料去除率高，零件的質(zhì)量只有毛坯的8%；④梁架的翼肋從22mm漸變至零（理論設(shè)計尺寸，如圖1b所示），傳統(tǒng)加工工藝很難加工。

圖1 機(jī)冀顫振模型梁架

2 變形預(yù)測與預(yù)補(bǔ)償

2.1 有限元切削仿真

薄壁加工變形是梁架加工最大的難點(diǎn)，被切削部分內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放，同時切削力會產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形，影響工件的最終加工精度，因此需要對梁架殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形進(jìn)行分析［8-9］。應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件對殘余應(yīng)力和由其導(dǎo)致的變形進(jìn)行模擬，指導(dǎo)加工工藝。金屬切削加工是一個復(fù)雜過程，材料模型的精度對有限元仿真的精度有很大程度的影響。準(zhǔn)確描述材料物理特性的本構(gòu)方程相當(dāng)重要，本文采用Johnson-Cook模型［10］，如式（1）所示。

式中：σ—有效應(yīng)力；A—準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服強(qiáng)度；B—應(yīng)變硬化系數(shù)；C—應(yīng)變率敏感系數(shù)；n—應(yīng)變硬化系數(shù)；m—溫度敏感系數(shù)；Tr—參考溫度；Tm—熔點(diǎn)溫度；ε—有效塑性應(yīng)變；—應(yīng)變率。

工件材料是45#鋼，選擇YT5硬質(zhì)合金刀具。設(shè)刀具為剛體，約束刀具X、Z軸的平動位移自由度和X、Y軸轉(zhuǎn)動自由度，保留Y軸的平動位移和Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。設(shè)兩者之間的接觸為Surface to Surface Eroding（ESTS）接觸。

2.2 變形預(yù)測

圖2是退刀后梁架的殘余應(yīng)力云圖。隨著工件材料被切除，工件內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放出來，原來的自身平衡被打破，因此工件只有通過變形達(dá)到新的平衡狀態(tài)。模擬時將殘余應(yīng)力按照“力平衡、力矩平衡”的原則沿厚度方向施加到有限元模型的表面上。利用ANSYS/LS-DYNA開發(fā)的后處理工具LS-PREPOST將分析得到的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)提取出來，處理后作為載荷施加到梁架進(jìn)行靜力分析，得到變形結(jié)果。

圖2 殘余應(yīng)力云圖

2.3 切削用量優(yōu)化與預(yù)補(bǔ)償

在工件材料、結(jié)構(gòu)、刀具、裝夾方式等一定的情況下，加工變形與背吃刀量、進(jìn)給速度和切削速度相關(guān)。圖3、圖4是在相同的切削速度，進(jìn)給速度的情況下，背吃刀量分別為0.7mm和1mm時的變形結(jié)果。背吃刀量為1mm時的整體變形量稍大，局部達(dá)到1.5倍。變形最大值出現(xiàn)在前后緣處，翼梁和前后端翼面也有部分變形。Z向變形量最大值為0.232mm。

圖3 被吃刀量0.7mm時變形量

圖4 被吃刀量1mm時變形量

為了快速量化比較不同切削參數(shù)對變形的影響，定義變形變化指數(shù)：

DCI—變形變化系數(shù)，取值范圍-1～1；

DB、DA—不同切削用量下產(chǎn)生的變形量。

DCI為正表示變形增大，絕對值越大，變形增量越多。

薄壁件變形引起的殘余材料在切削過程中是無法一次切除的，需多次重復(fù)加工導(dǎo)致效率低下。因此根據(jù)預(yù)測的加工變形對切削用量進(jìn)行調(diào)整，以抵消受力變形引起的加工誤差。梁架的加工變形主要是Z向，則切削用量的調(diào)整是半精加工時，背吃刀量為加工余量加上Z向變形。

3 工藝優(yōu)化

根據(jù)顫振模型對梁架的要求，針對梁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在有限元變形分析的基礎(chǔ)上，對加工工藝進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化。

傳統(tǒng)的加工工藝，一般先粗加工去除材料，再精加工得到所需精度。根據(jù)第2部分有限元分析的結(jié)果，在粗加工時，隨著材料的去除，工件剛度下降，變形顯著增加。精加工時，在前后緣處，由于變形大于切削深度，刀具根本不能去除材料。所以，優(yōu)化后的工藝與傳統(tǒng)加工方法不同，大部分材料在最后一步線切割去除，在此之前一直起輔助支撐作用，提高銑削加工中工件的剛度，減少切削時的顫振和加工變形。在加工工藝調(diào)整后，梁架在Z向的變形減少為0.107mm。

毛坯件粗銑完成后，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）σb=980-1080MPa，消除零件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，使鋼的性能得到很大程度的調(diào)整，強(qiáng)度、塑性和韌性較好，具有良好的機(jī)械綜合性能，滿足顫振模型的要求。

銑削加工中需要多次切削、多次翻轉(zhuǎn)工件、多次裝夾。為了保證加工精度，在工件前后端面首先加工出定位面和定位孔，作為后續(xù)工序的定位基準(zhǔn)。根據(jù)第2部分有限元分析的結(jié)果，粗銑翻面加工3次，半精銑翻面加工2次。而沒有變形預(yù)測時，需要粗銑翻面加工5次。在切削參數(shù)上，為了減少加工變形和殘余應(yīng)力，采用小切深、快走刀、高轉(zhuǎn)速和對稱銑削加工。

優(yōu)化后的主要工藝流程如圖5所示。

圖5 梁架加工工藝流程

4 結(jié)論

梁架是機(jī)翼顫振模型的主要傳力構(gòu)件，其加工質(zhì)量直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于其去除率高和弱剛度等薄壁件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在加工中易變形。本文在有限元分析預(yù)測加工變形量的基礎(chǔ)上，對工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）利用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元加工仿真，獲得已加工表面殘余應(yīng)力，預(yù)測梁架銑削時的加工變形。調(diào)節(jié)切削用量，進(jìn)行變形預(yù)補(bǔ)償，合理的加工參數(shù)減小梁架的加工變形。并提出了變形變化指數(shù)DCI，結(jié)合CAE分析，快速反映不同加工參數(shù)對變形量的影響。根據(jù)變形預(yù)測結(jié)果，對加工參數(shù)和工藝進(jìn)行優(yōu)化，僅粗加工時間就節(jié)省了將近40%。

（2）對梁架整體加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。與傳統(tǒng)加工方法不同，大部分材料在主要加工面精加工后線切割去除，在此之前一直起輔助支撐作用，極大提高了銑削加工中工件的剛度，減少了切削時的顫振和加工變形，提高了加工質(zhì)量和效率。

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（編輯 趙蓉）

Process optimization of Thin-walled Frame Based on Deformation Calculation

ZHAOWen-hui，DUAN Zhen-yun，DAI Xian-wei
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In order to reduce the machining deformation of thin-walled frame，finite element simulation software ANSYS/LS-DYNA is used to obtain the residual stress and deformation.The cutting parameters are adjusted to carry out deformation active compensation.On this basis，the overall machining process is optimized.Process of wing flutter model frame prove that this method can effectively improve the quality and efficiency of machining of thin-walled parts.

thin-walled frame；residual stress；deformation calculation；active compensation；process optimization

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）04-0126-02 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.033

2014-06-27；

2014-07-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275073）

趙文輝（1978—），男，浙江溫嶺人，沈陽工業(yè)大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)樽杂汕娴闹貥?gòu)與加工，（E-mail）atuitoto@hotmail.com。