王榮奇，謝雪范，周曉勤，李國發(fā)

(吉林大學 機械與航空航天工程學院，長春 130025)

0 引言

隨著航天航空工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代飛行器對于比強度和比剛度等性能的要求越來越高，使得在保證產(chǎn)品設(shè)計性能的前提下，減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)整體性將成為航天航空工業(yè)的必然發(fā)展趨勢[1]。因此，現(xiàn)代飛行器大量采用壁板、隔框和翼筋等整體式加工的薄壁結(jié)構(gòu)件，且其數(shù)量和尺寸越來越大，結(jié)構(gòu)也來越復雜[2]。然而，盡管上述薄壁結(jié)構(gòu)件因其優(yōu)點而廣泛應用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，但此類結(jié)構(gòu)件的加工卻存在諸多不利因素[3-4]。例如，薄壁結(jié)構(gòu)件普遍存在剛度低、切削余量大以及機械加工工藝性差等特點，因此極易導致加工變形，繼而影響零件的面形精度[5]；此外，薄壁結(jié)構(gòu)件加工過程中的殘余應力和支撐裝夾方式等對其加工變形、疲勞壽命以及工作強度等均會產(chǎn)生影響[6]。

目前，國內(nèi)外多數(shù)研究人員運用有限元分析等方法對薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工變形規(guī)律進行了研究[7-10]，但這些研究僅從工件裝夾方案和殘余應力的角度分析其對加工變形的影響，而銑削過程中工件材料殘余對薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形誤差的影響卻鮮有報道。鑒于此，文章通過研究薄壁結(jié)構(gòu)件加工過程中支撐裝夾、走刀路徑和材料殘余等關(guān)鍵因素對加工變形的影響規(guī)律，并藉此提高薄壁件銑削加工面形誤差的預測精度，為相關(guān)制造企業(yè)改進工藝和提高加工效率提供技術(shù)參考。

1 銑削變形原理

對于薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工過程來說，其沿銑刀徑向和軸向的讓刀現(xiàn)象是導致此類柔性零件產(chǎn)生變形誤差的主要原因[11]。限于篇幅，如圖1所示，文章僅對薄壁結(jié)構(gòu)件銑削過程中軸向的讓刀變形進行討論，并運用有限元分析方法研究銑削過程面形誤差的分布規(guī)律。

一般來說，航空薄壁結(jié)構(gòu)件經(jīng)銑削加工后的厚度普遍為3～5mm，甚至更薄，這與銑削加工的切削厚度極為接近，因此工件未經(jīng)銑削區(qū)域的材料殘留對薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的分布將產(chǎn)生不可忽略的作用。為此，文章運用FEA方法研究材料殘留、支撐夾緊以及走刀路徑對于薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工變形分布的影響規(guī)律。其中，圖2a表征的是在不考慮材料殘余時的銑削過程，而圖2b和圖2 c表征的是在考慮材料殘余時分別采用環(huán)切走刀路徑和往復式(Zig-Zag法)走刀路徑的銑削過程。運用ANSYS Workbench 15.0，先根據(jù)表1所示的工件尺寸和材料參數(shù)建立薄壁件的參數(shù)化FEA模型，然后運用“Design Exploration”工具箱中的“Response Surface”模塊，在薄壁件表面隨機選取200控制點進行仿真模擬，并對獲取的加工變形進行曲面擬合，進而求得薄壁件銑削加工的變形分布。

圖1 銑削讓刀變形原理圖

工件長度200 mm工件寬度200 mm工件厚度4 mm切削深度2 mm工件材料Al 6061切削力Fz10 N

(a)不考慮材料殘余時的 銑削過程 (b)采用環(huán)切走刀 路徑 (c)采用往復式 走刀路徑 圖2 不同薄板件銑削加工過程及其材料殘留變化

2 不含材料殘留的FEA分析

如圖3所示，在不考慮未銑削區(qū)域材料殘留的情況下，銑削加工變形對于走刀路徑的類型及方向并無明顯影響，故僅需分析工件裝夾方式對加工變形的影響。如圖3a和圖3b所示，環(huán)切走刀路徑包括由內(nèi)向外和由外向內(nèi)兩種切削方向，而往復走刀路徑則包括垂直裝夾端和平行裝夾端兩種切削方向，如圖3c和圖3d所示。此外，為進一步提高仿真效率和減少計算時間，在薄壁件采用雙對稱裝夾和單對稱裝夾兩種方案的情況下，本文將分別選取薄壁件的1/4區(qū)域(50個控制點)和1/2區(qū)域(100個控制點)進行FEA仿真分析，而后利用Matlab 2015b對仿真獲得的加工變形量進行曲面擬合，進而獲取薄壁件銑削加工變形分布，如圖4所示。

(a)由外向內(nèi)環(huán)切(b)由內(nèi)向外環(huán)切(c)垂直裝夾端走刀(d)平行裝夾端走刀 圖3 薄板件銑削加工的刀具路徑和安裝固定

如圖4所示，在不考慮未銑削區(qū)域材料殘留的情況下，若薄壁結(jié)構(gòu)件采用雙對稱的支撐緊固，則其加工變形同樣呈現(xiàn)出雙對稱的分布規(guī)律(P1)，其最大加工變形(>15μm)出現(xiàn)在工件的中心區(qū)域，并沿四周呈現(xiàn)較小梯度的下降收斂趨勢。采用單對稱支撐緊固時，加工變形則呈現(xiàn)出對稱的分布規(guī)律(P2)，其最大加工變形(>22μm)出現(xiàn)在未裝夾的兩個自由端，同時中心區(qū)域的加工變形也出現(xiàn)局部最大值(>18μm)，而且其加工變形沿兩個未裝夾端呈現(xiàn)出較大梯度的下降趨勢。綜上所述，采用雙對稱的裝夾方式，可以有效降低薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工的變形誤差，而采用單對稱的裝夾方式，其加工變形誤差在兩個未裝夾的自由端較中心區(qū)域則更為顯著。

圖4 不含切削材料殘余的加工變形分布

3 含材料殘留的FEA分析

盡管前文在不考慮薄壁結(jié)構(gòu)件銑削材料殘留情況下的加工變形分布進行了仿真研究，但其FEA結(jié)果較為理想，預測精度有所不足。尤其是在薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工過程中，此時工件厚度與未銑削部分材料殘留的厚度比較接近，且材料殘留區(qū)域在銑削過程中是不斷變化的，故其對加工變形的影響并不能直接忽略，本文將工件厚度和銑削深度均選擇為2mm，如表1所示。

為此，本節(jié)將考慮銑削過程中薄壁結(jié)構(gòu)件材料的實時變化，分析材料銑削殘留對于加工變形分布的影響規(guī)律，其更加接近于實際的銑削過程，仿真結(jié)果也將更具參考價值。此時，薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形不僅取決于工件的裝夾方式，還依賴于銑削刀具的走刀路徑，故本節(jié)在雙對稱和單對稱裝夾方式條件下分別研究環(huán)切路徑和Zig-Zag路徑的加工變形規(guī)律，如圖5所示，相關(guān)的尺寸和材料參數(shù)以及FEA建模過程與前文基本相同。

圖5 不同支撐夾緊和走刀路徑的薄壁結(jié)構(gòu)件銑削過程

如圖5所示，C1～C4和Z1～Z4分別為環(huán)切走刀和Zig-Zag走刀路徑。顯然，薄壁件的走刀方向會影響加工表面材料殘留的分布，同時還需考慮工件雙對稱和單對稱支撐夾緊，最后利用FEA方法可以獲取加工變形分布規(guī)律，分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同裝夾方式下的環(huán)切走刀銑削的加工變形

如圖6所示，當采用環(huán)切刀具路徑由外往里銑削時，雙對稱裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C1)的加工變形在中心區(qū)域?qū)⒓眲≡黾?>16μm)；而單對稱裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C2)的加工變形在中心區(qū)域急劇增加(>19μm)，且在兩個未裝夾端也出現(xiàn)局部的增加(>10μm)。然而，當采用環(huán)切刀具路徑由內(nèi)向外銑削時，雙對稱裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C3)的加工變形最大值不在中心區(qū)域，而出現(xiàn)在距中心有一定距離的四個對稱區(qū)域內(nèi)(>3μm)；而單對稱裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C2)的最大加工變形(>22μm)則出現(xiàn)在兩個未裝夾自由端。通過與未考慮銑削材料殘留的仿真結(jié)果(圖4中P1和P2)對比分析可知，銑削材料殘留不僅影響加工變形誤差的分布，而且能夠抑制加工變形。

圖7 不同裝夾方式下的Zig-Zag走刀銑削的加工變形

如圖7所示，當采用Zig-Zag刀具路徑垂直和平行支撐裝夾端銑削時(Z1和Z3)，雙對稱裝夾薄壁件的加工變形在中心區(qū)域有最大值(>6μm)，且最大值點向Zig-Zag走刀末端的方向產(chǎn)生輕微的偏移；但是，對單對稱裝夾薄壁件來說，當Zig-Zag走刀路徑垂直于裝夾端時(Z2)加工變形的最大值(>22μm)出現(xiàn)在走刀路徑的末端，這是由于此時殘留材料對加工變形的抑制作用最弱；而當Zig-Zag走刀路徑平行于裝夾端時(Z4)，其誤差分布具有單對稱性加工變形的最大值(>14μm)，并且向Zig-Zag走刀路徑末端產(chǎn)生明顯的偏移。總而言之，雙對稱裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件的變形誤差整體小于單對稱裝夾薄壁件的變形誤差，且其變形對走刀路徑類型的敏感度也弱于單對稱裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件。

綜上所述，當采用雙對稱裝夾方案時，環(huán)形走刀路徑由里向外銑削時的變形誤差最小，其次是Zig-Zag走刀路徑銑削，最大的是環(huán)形走刀路徑由外向里銑削，即C3< Z1= Z3< C1< P1；同理，當薄壁結(jié)構(gòu)件采用單對稱的裝夾方案時，可知其最大加工變形誤差順序為：Z4< C2< Z2< C4

4 結(jié)束語

文章基于有限元仿真分析方法研究了裝夾方案和走刀路徑對薄壁件銑削面形誤差分布的影響，仿真結(jié)果表明：

(1) 薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形誤差對于工件裝夾方式和走刀路線方向具有高敏感性；

(2) 銑削加工過程中材料殘留可以有效抑制加工變形，且其依賴于裝夾方式、走刀路徑及銑削方向。

因此通過合理選擇裝夾方案和走刀路徑可以有效減小加工變形，提高薄壁件銑削加工的面形精度。

DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.458.283.