鄭耀輝，王 朋，王明海，李曉鵬

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136)

0 引言

隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)及發(fā)動機(jī)為了減輕重量和提高強(qiáng)度，大量使用薄壁整體結(jié)構(gòu)件，例如：整體葉盤、機(jī)匣、整體框、梁、壁板等。大型結(jié)構(gòu)件具有形狀復(fù)雜，剛度弱，精度高等特征，在加工中多采用整體數(shù)控銑削成形[1-3]。

薄壁件自身剛性較弱，在加工過程中受到殘余應(yīng)力、切削力和裝夾等因素的影響容易發(fā)生變形，嚴(yán)重影響零件的加工精度和產(chǎn)品的合格率、裝配精度和使役性能[4-6]。國內(nèi)外對薄壁件的加工變形問題進(jìn)行了大量的研究，王明海[7]等通過仿真研究了葉片表面殘余應(yīng)力分布情況及銑削參數(shù)對葉片加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。Li B[8]研究了銑削過程中銑削深度對薄壁件殘余應(yīng)力分布和變形的影響。Schulze V[9]等通過仿真研究了7075鋁合金薄壁件在加工過程中毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工參數(shù)等對變形和振動的影響。Lazoglu I[10]等研究了鈦合金薄壁件在微銑削加工中的變形問題。但這些研究更側(cè)重于對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來減小薄壁件的加工變形。白萬金[11]對航空薄壁件對稱及階梯對稱銑削進(jìn)行了仿真研究。申運(yùn)鋒[12]等對2124鋁合金曲邊薄壁件進(jìn)行了仿真研究。但均沒有考慮毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力對工件加工變形的影響。

針對不同加工順序影響薄壁件加工變形的問題，本文以發(fā)動機(jī)葉片類懸臂結(jié)構(gòu)薄壁件為研究對象，利用有限元仿真，研究左右對稱、分層對稱、階梯對稱和金字塔對稱四種不同的加工順序?qū)Ρ”诩庸ぷ冃蔚挠绊懀瑢Ρ”诩募庸ぷ冃芜M(jìn)行預(yù)測，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

1 薄壁件四種不同加工方案

薄壁件左右對稱、分層對稱、階梯對稱和金字塔對稱四種不同的加工順序如圖1所示。四種不同加工順序均按照1-2-3-4-5…的順序依次去除材料，最終完成加工。

(a)左右對稱 (b)分層對稱

(c)階梯對稱 (d)金字塔對稱圖1 四種不同加工順序

2 初始?xì)堄鄳?yīng)力的獲取

殘余應(yīng)力是指在不受外力作用下，物體內(nèi)部保持自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，物體內(nèi)部任一截面內(nèi)的合力與合力矩滿足

(1)

(2)

式中，σr為殘余應(yīng)力，M為力矩，A為截面面積。在加工前，工件處于平衡狀態(tài)，隨著材料的去除，這種狀態(tài)將會被打破，殘余應(yīng)力得到釋放并重新分布，工件只有通過變形才能達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，必須考慮毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力對工件加工變形的影響。

在本文中，使用有限元法仿真鋁合金淬火過程，以獲得初始?xì)堄鄳?yīng)力的分布。淬火過程中熱應(yīng)力由溫度梯度產(chǎn)生。在淬火過程中由于表面首先與水接觸，因此表面冷卻速度快于心部，表層到心部依次為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。利用順序耦合熱應(yīng)力分析，首先進(jìn)行熱傳遞分析，得到毛坯的溫度場，然后在熱應(yīng)力分析中將其作為預(yù)定義場導(dǎo)入，得到應(yīng)力場。將毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力場作為初始條件，按照四種不同加工順序進(jìn)行加工仿真。

2.1 圓環(huán)類工件淬火仿真與試驗(yàn)研究

為了便于測量和驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，仿真和試驗(yàn)先以圓環(huán)類工件為研究對象，內(nèi)徑200mm，壁厚10mm，高50mm，如圖2所示。7075鋁合金的熱物理和力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，密度、泊松比分別取2800kg/m3和0.3，采用順序耦合熱應(yīng)力分析的方法得出毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力場。

利用鉆孔法，使用MTS3000型殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行測量。沿毛坯外表面中心線等角度選取4個(gè)點(diǎn)，如圖3所示，工件的鉆孔和測量過程如圖4所示，結(jié)果如表2所示。

圖2 圓環(huán)工件 圖3 測量點(diǎn)分布

(a)工件鉆孔示意圖 (b)殘余應(yīng)力測量圖4 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力測量

溫度/℃20100150200300400500彈性模量/GPa7165.19360.59456.26237.98231.525屈服應(yīng)力/MPa455.9389.1346.6275.747.135.516.3熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/(m·℃)114.8128.4135.7142.2152.7160.8166.7比熱(J/(kg·℃))835.4897916.39741012.511281205熱膨脹系數(shù)(10-6·℃-1)21.623.4/24.325.230.731.4對流換熱系數(shù)(W/(m2·℃))25005000100001385710003000700

表2 殘余應(yīng)力仿真與測量結(jié)果對比

從表2可以看出，仿真與試驗(yàn)測量結(jié)果誤差最小為10.27%，最大為16.85%。測量結(jié)果比仿真結(jié)果偏小，可能是由于有限元仿真是在比較理想的環(huán)境中進(jìn)行，但在實(shí)際過程中，水溫不可能保持恒定，且由于人為的其它因素也會對結(jié)果產(chǎn)生影響；仿真過程中假設(shè)鋁合金淬火前內(nèi)部殘余應(yīng)力為零，但鋁合金在實(shí)際淬火操作前，其內(nèi)部已經(jīng)存在殘余應(yīng)力，在淬火結(jié)束后，這部分殘余應(yīng)力對結(jié)果必然有一定的影響，導(dǎo)致最終結(jié)果與仿真結(jié)果出現(xiàn)誤差。

綜上所述，仿真模型能夠用于預(yù)測毛坯淬火殘余應(yīng)力。

2.2 毛坯淬火過程仿真

毛坯為7075鋁合金，尺寸大小為：長83mm，寬50mm，高100mm，時(shí)間為300s。在熱應(yīng)力分析中分別選中毛坯底面三個(gè)點(diǎn)，限制XYZ、YZ、Y方向的位移自由度。毛坯淬火殘余應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，殘余應(yīng)力在x、y和z三個(gè)方向，表層均為負(fù)值，即殘余壓應(yīng)力，心部為正值，即殘余拉應(yīng)力，且均呈對稱分布，與理論相符，可用于后續(xù)的加工仿真。

(a) 殘余應(yīng)力分布 (b) x方向殘余應(yīng)力

(c )y方向殘余應(yīng)力 (d) z方向殘余應(yīng)力圖5 毛坯淬火殘余應(yīng)力

3 加工過程仿真與結(jié)果分析

將毛坯淬火后的殘余應(yīng)力場作為加工仿真的初始條件，利用有限元軟件ABAQUS的“生死單元”法實(shí)現(xiàn)材料的去除。

將殘余應(yīng)力場導(dǎo)入后，根據(jù)設(shè)計(jì)的四種不同的加工方案對材料進(jìn)行去除。邊界條件為底面固定，不引入切削力載荷等因素，研究在初始?xì)堄鄳?yīng)力作用下，四種不同加工順序過程中，殘余應(yīng)力的釋放和工件全程變形情況。每去除一塊材料為一個(gè)分析步，第一個(gè)分析步將初始?xì)堄鄳?yīng)力場導(dǎo)入，從第2個(gè)分析步開始去除材料，根據(jù)四種不同去除方案，分析步總時(shí)間分別為3、9、10和19。加工完成后，工件尺寸大小如圖6所示，w=83mm，a=40mm，t=3mm，b=20mm，h=100mm，l=50mm。

圖6 工件最終尺寸

在殘余應(yīng)力作用下，隨著材料不斷地被去除，殘余應(yīng)力釋放，工件在不斷地發(fā)生變形，工件的剛度也在變小，最終的加工變形如圖7所示。從圖7可以看出四種加工方案其變形最大的位置均在剛性最弱的工件頂部，以工件頂部邊緣一點(diǎn)為研究對象，研究這點(diǎn)在整個(gè)加工過程中的變形情況。

選取頂部變形最大的一點(diǎn)，研究其在整個(gè)加工過程中的變形情況，如圖8所示，橫坐標(biāo)為仿真過程中的分析步時(shí)間，縱坐標(biāo)為加工變形量(mm)。

從圖8中可以看出，左右對稱加工的最大變形量出現(xiàn)在第2個(gè)分析步，即把第1部分材料去除后，最大值為0.471mm，變形量變化趨勢為先增大后減小；分層對稱加工的最大變形量出現(xiàn)在第4個(gè)分析步，即把第3部分材料去除后，最大值為0.316mm，變形量變化趨勢為上下波動；階梯對稱加工的最大變形量出現(xiàn)在第9個(gè)分析步，即把第8部分材料去除后，最大值為0.261mm，變形量變化趨勢為先增大后減小，再增大，再減??；金字塔對稱加工的最大變形量出現(xiàn)在第2個(gè)分析步，即剛把第1部分材料去除后，最大值為0.21mm，變形量變化趨勢為上下波動，整體呈減小趨勢。

(a)左右對稱 (b)分層對稱

(c)階梯對稱 (d)金字塔對稱圖7 工件變形

左右對稱加工的變形量變化趨勢是由于在材料去除前，毛坯內(nèi)部在殘余應(yīng)力作用下處于平衡狀態(tài)，當(dāng)工件的一側(cè)被完全去除的過程中，被去除部分的內(nèi)部殘余應(yīng)力對工件的平衡作用消失，工件通過不斷地變形來達(dá)到新的平衡狀態(tài)，且變形量不斷增大，直到一側(cè)去除完成達(dá)到最大值，且是四種加工方案中最大的，當(dāng)去除另一側(cè)材料時(shí)，工件朝著與剛才相反的方向發(fā)生變形，因此變形量又在減小。分層對稱與金字塔對稱的變形量變化趨勢均為上下波動，一上一下的變化趨勢與左右對稱加工方案原理相似，但由于采用了分層的方法，且每次加工的深度較小，故呈現(xiàn)出上下波動的變化趨勢，且變形量較小。階梯對稱加工與分層對稱加工相似，但由于兩側(cè)對稱去除材料的深度不同，因此變形量的變化趨勢沒有很強(qiáng)的規(guī)律性。

圖8 頂點(diǎn)全程變形量

由于在實(shí)際加工過程中，還要考慮刀具對工件加工變形的影響，金字塔對稱加工的方案工件的剛性要優(yōu)于其他三種，且從圖7可以看出，這種加工方案的變形量在也是最小，在加工過程中，可以結(jié)合數(shù)控加工誤差補(bǔ)償對加工變形進(jìn)行修正，有利于控制薄壁件的加工變形問題。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，在3軸立式數(shù)控銑削加工中心(VMC850B)對金字塔對稱加工進(jìn)行銑削試驗(yàn)，刀具為四刃硬質(zhì)合金刀，主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，進(jìn)給量0.1mm/z，如圖9所示。按照仿真的順序，每去除一部分材料便測量頂點(diǎn)沿兩側(cè)方向的變形量，以起始位置為測量零點(diǎn)，直至加工結(jié)束。

圖9 工件加工

圖10 仿真與試驗(yàn)變形量對比

從圖10曲線可以看出，仿真與試驗(yàn)得到的變形量的變化趨勢相似，仿真的最大變形量為0.2mm，試驗(yàn)測得的變形量最大值為0.121mm。仿真的變形量總體要比實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)偏大，這是由于仿真是在理想的環(huán)境中進(jìn)行的，與實(shí)際有一定的偏差，且材料中的殘余應(yīng)力不會立即釋放完全，對變形也會有一定的影響。綜上所述，仿真模型可以用來預(yù)測鋁合金薄壁件的加工變形。

5 結(jié)論

通過有限元方法仿真了鋁合金薄壁件毛坯的淬火和切削加工過程并進(jìn)行了毛坯殘余應(yīng)力測量試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

(1)本文使用的有限元模型和方法(順序耦合熱應(yīng)力分析)能夠較為準(zhǔn)確的得到7075鋁合金淬火殘余應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差較小，殘余應(yīng)力誤差最小為10.27%，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步進(jìn)行加工變形仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。

(2)綜合分析對比左右對稱、分層對稱、階梯對稱和金字塔對稱四種不同的材料去除順序。金字塔對稱加工的方法能有效的減小加工變形，在整個(gè)加工變形的過程中，變形量最大值為0.21mm，更加有利于減小薄壁件的加工變形問題。

(3)基于有限元分析的結(jié)果，在實(shí)際加工過程中，結(jié)合數(shù)控加工誤差補(bǔ)償，可提高薄壁件的加工質(zhì)量和精度，可為實(shí)際的生產(chǎn)提供一定的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉建寧,李占鋒,司宇. 一種航空薄壁件銑削加工變形補(bǔ)償算法[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2015(11):33-36,40.

[2] 廖玉松,韓江. 鋁合金薄壁件銑削加工精度控制研究[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2015(5):113-117,120.

[3] 畢運(yùn)波，柯映林，董輝躍. 航空鋁合金薄壁件加工變形有限元仿真與分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，42(3):397-402.

[4] 鄭耀輝，王江濤，王明海，等. 大型薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件加工變形預(yù)測研究[J]. 制造業(yè)自動化，2015(21):14-18.

[5] 梁巖里,王凱,楊三強(qiáng),等. 薄壁件銑削加工顫振控制研究[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2012(4):28-31.

[6] Meng L, He N, Yang Y, et al. Measurement of Surface Residual Stresses Generated by Turning Thin-Wall Ti6Al4V Tubes Using Different Cutting Parameters[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2015, 44(10):2381-2386.

[7] 王明海,孫越.整體葉盤葉片銑削加工表面質(zhì)量控制仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(4):176-178,182.

[8] Li B, Jiang X, Yang J, et al. Effects of depth of cut on the redistribution of residual stress and distortion during the milling of thin-walled part[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2015, 216:223-233.

[9] Schulze V, Arrazola P, Zanger F, et al. Simulation of Distortion Due to Machining of Thin-walled Components [J]. Procedia Cirp, 2013, 8:45-50.

[10] Lazoglu I, Mamedov A. Deformation of thin parts in micromilling[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2016, 65(1):117-120.

[11] 白萬金,柯映林,吳紅兵,等. 航空薄壁件對稱及階梯對稱銑削的數(shù)值仿真與分析[J]. 中國機(jī)械工程,2009,(20):214-217.

[12] 申運(yùn)鋒,趙妍,楊生國,等. 2124鋁合金曲邊薄壁結(jié)構(gòu)加工變形仿真分析[J]. 航空工程進(jìn)展,2016,7(2):191-197.