趙夫超 雷小寶 劉 暢 鮑滿腔

(1安慶職業(yè)技術學院機電工程系；2安慶市鼎潤智能裝備制造有限公司 安徽安慶 246005；3安徽大學電氣工程與自動化學院 安徽合肥 230601)

薄壁支架零件由于質量輕，具備特殊的材料性能等特點被廣泛應用在航空航天工業(yè)中。很多薄壁支架零件采用的材料多為鋁合金、鈦合金等材料，薄壁支架零件的外部輪廓尺寸與截面尺寸相比偏大，加工余量大，會使得它的剛性差，在加工過程中會出現(xiàn)嚴重振動，從而影響零件的加工精度與表面質量。薄壁支架零件在加工過程中很容易產生加工變形，這已然成為機械加工中的一大難題，因此開展薄壁支架零件的三維建模，加工變形仿真分析具有十分重要的意義。

目前，國內外很多學者針對薄壁件加工變形方向有不少研究，同時也取得了一定成績。如Wun Ling，Lai Zone Ching Lin 等通過模擬正交切削實驗[1]，得出一些很重要的規(guī)律，零件的變形大小取決于應力分布狀況，零件的應力分布狀況又受到刀具參數(shù)的影響，即選擇不同參數(shù)的刀具會導致零件的變形程度不同。另外，針對具體的薄壁支架零件的加工，S.Smith等人研究了零件整體剛性對切削加工質量的影響，研究結果表明采用提高剛性的措施可達到有效減輕薄壁支架類零件的加工變形，提高產品質量與生產率[2]；國內南航的王志剛等詳細研究了薄壁零件的加工變形過程，他假設材料在加工過程中一直處于彈性范圍，主要考慮了切削力作用下對薄壁零件產生的彈性變形，但是沒有考慮到其他因素對變形的影響[3]；而北航的Wang Zhao jun等利用有限元軟件模擬了材料去除對薄壁零件加工變形的影響，但是他在分析過程中忽略了切削力的作用[4]；浙大的黃志剛等對引起變形的因素進行了詳細的分析，他們建立了金屬正交切削加工的切削力與切削熱相互影響的模型，對加工變形的原理進行了廣泛深入的研究[5]。

文章在對薄壁支架零件的三維建模與結構功能分析的基礎上，采用模擬切削仿真方法，分析了引起薄壁支架零件加工變形的因素，對導致加工變形的主要切削力影響因素進行了具體分析。

1 薄壁支架零件的三維建模

基于Solidworks軟件，建立薄壁支架零件的三維模型，由圖1可見，該薄壁支架零件安裝被支撐件處壁厚較薄，此處剛性較差，在加工過程中受到各種因素的耦合作用容易產生變形。

圖1 薄壁支架三維模型

2 薄壁支架切削加工切削力分析

薄壁支架零件加工過程復雜，一般在數(shù)控銑床上完成加工。由文獻可知航空鋁合金7075-T745在立銑刀進行銑削加工時的銑削力經驗模型[6]，見公式1。

(1)

式(1)中，F(xiàn)x、Fy和Fz分別為銑削力在x、y和z三個方向上的分力，ap為銑削深度，ae為銑削寬度，v為銑削速度，f為進給量。在加工過程中以Z端面為研究對象，在銑削時使用整體硬質合金直柄立銑刀，分粗銑，精銑兩個過程。

文章切削仿真先選取Z端面的凹槽進行切削力有限元分析，在上面的計算過程中優(yōu)先選取以下切削用量：v=1600m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm，ae=0.8mm來計算切削力。

3 薄壁支架切削加工變形有限元仿真

3.1 加工變形有限元仿真

(1)利用三維軟件Solidworks建立薄壁支架零件的幾何模型。文章所研究的薄壁支架零件的尺寸為86mm×86mm×70mm。

(2)添加材料庫與模型的材料屬性。選用鋁合金7075-T745，設置彈性模量E=113Gpa，泊松比u=0.33。

(3)添加邊界條件。所加工的鋁合金薄壁支架零件Z面添加約束，上部及兩端處于自由狀態(tài)。首先只考慮銑刀在某個位置時的情況，此時切削力處于銑削槽面上，力的大小可借助于上述創(chuàng)建的切削力經驗模型進行計算，在有限元分析模型的區(qū)域上施加載荷[7]，僅僅研究與加載垂直方向加工表面上的力Fz。

f0.0022=38.1N，此時最大的總變形為2.7167e-6，如圖2所示。

圖2 Fz=38.1N時Total Deformation

3.2 仿真結果分析

通過采取有限元辦法對鋁合金薄壁件加工變形的模擬分析，可以得到以下幾點結論：

(1)用Ansys對鋁合金薄壁支架零件加工變形進行仿真分析，其分析結果與實際加工情況具有較高的擬合度，預測結果可有效用于薄壁支架類零件加工前的工藝優(yōu)化設計。

(2)沿薄壁支架零件的高度方向，高度不斷增大，欠切量隨之增大；在刀具進給方向，薄壁支架零件的最終切削厚度也呈現(xiàn)出較大的加工誤差，這些是由零件不同位置的剛度存在較大差異所導致的。薄壁零件加工時讓刀變形與切削點的剛度具有較大關系，切削點的剛度越小，該處的欠切量就會越大。所以，如何有效提高切削點的剛度是工藝優(yōu)化設計工作的重要研究內容[8]。同時可以據(jù)此來優(yōu)化數(shù)控銑削工藝，根據(jù)有限元分析的欠切量適當?shù)倪M行刀具補償，可以有效地減小薄壁件加工過程中的變形。

(3)切削三要素進給量、背吃刀量和切削速度的減小都有利于切削力的減小，其中背吃刀量影響最大，進給量次之，切削速度最小。但是本零件為薄壁支架零件，切削溫度會造成熱變形，很大程度影響切削加工質量，切削熱受切削速度影響最大，進給量次之，背吃刀量最小。所以切削時的切削用量選取要重點控制進給量，且在整個切削過程中持續(xù)冷卻液冷卻。

4 基于有限元仿真的切削加工變形規(guī)律預測

4.1 一般模型的建立與有限元仿真

上述內容對加工該薄壁零件Z面時的切削加工變形進行了有限元仿真，最后對仿真結果也進行了分析?，F(xiàn)在為了得到一般性的切削加工變形規(guī)律，需將對上面的切削加工過程進行簡化處理，再建立一般的模型，然后對簡化的模型進行有限元分析，最后依據(jù)所得數(shù)據(jù)進行規(guī)律預測。

(1)首先將加工對象簡化成扇形薄板件，如圖3所示。

圖3 簡化的扇形薄板模型

(2)通過前面的計算取Fz=47.7N，按照圖4所示的節(jié)點逐點施加Fz，得出每個節(jié)點處的總變形云圖，其中某一個節(jié)點處的處理結果如圖5所示。

圖4 切削力施加節(jié)點示意圖

圖5 某一節(jié)點處總變形云圖

(3)按照前面的處理過程，在圖4所示的節(jié)點處依次施加力，得到如5所示的總變形云圖，記錄數(shù)據(jù)，按照節(jié)點位置徑向大小對數(shù)據(jù)(取三組數(shù)據(jù)為例)進行分類統(tǒng)計，可以做出R相等時各節(jié)點的總變形曲線，如圖6～圖8所示。

圖6 R=30mm的節(jié)點總變形曲線

圖7 R=24mm的節(jié)點總變形曲線

圖8 R=18mm的節(jié)點總變形曲線

4.2 切削加工變形規(guī)律預測

對圖6～圖8中曲線用最小二乘法擬合可以得到其近似曲線，通過各R2的大小可以發(fā)現(xiàn)擬合結果較好。可以看出，在R相同時，各個節(jié)點的總變形量滿足四次多項式：y=ax4+bx3+cx2+dx+e。對于扇形模型來說，其中每個節(jié)點均用極坐標：(R,θ)唯一確定，這樣總變形量就可以表示成θ的函數(shù)，即D(θ)=aθ4+bθ3+cθ2+dθ+e(其中a，b，c，d，e與R有關且由R唯一確定)。

為了得到徑向的變形規(guī)律，現(xiàn)將各個R相等時的各個節(jié)點處的總變形求平均值，可以得到圖9所示R變化時節(jié)點處總變形曲線，同樣采用最小二次法對曲線進行擬合，可以得到一個四次多項式函數(shù)，將其用極坐標表示即：D(R)=aR4+bR3+cR2+dR+e(其中a，b，c，d，e均與θ有關且由θ唯一確定)。

圖9 R變化時節(jié)點處總變形曲線

綜上可知，對于這樣的扇形模型，在周向或徑向，可以用極坐標(R,θ)通過四次多項式來表示總變形量的大小。通過建立一般模型，分析有限元仿真結果及建立數(shù)學模型，可以預測切削加工總變形量規(guī)律。

5 小結

針對薄壁支架零件加工質量難以控制的問題，在分析了國內外研究現(xiàn)狀的基礎上，利用有限元分析方法，對某三軸飛輪集成支撐架進行了三維建模及加工變形分析，得出結論如下：

(1)分析引起薄壁支架零件加工變形的因素，對導致加工變形的主要因素切削力進行了分析；

(2)簡化了薄壁支架有限元模型，對所加工面進行節(jié)點劃分，仿真分析加工過程中每一節(jié)點的實時變形狀態(tài)，建立各節(jié)點變形數(shù)學模型，預測了加工變形規(guī)律。