龔宗輝 王許朋

摘要：某薄壁殼體零件在加工中部吊掛及孔結(jié)構(gòu)時(shí)，出現(xiàn)零件變形大、振刀嚴(yán)重的問題。本文以某薄壁殼體為研究對象，建立薄壁殼體的三維模型，采用ABAQUS軟件對銑削過程中的零件進(jìn)行模態(tài)分析，得到了某薄壁殼體零件的固有頻率及對應(yīng)振型。根據(jù)零件加工時(shí)的動態(tài)特性，改進(jìn)工藝、避開共振頻率，優(yōu)化加工時(shí)的剛性，獲得了良好的工藝效果，對工藝方案的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：薄壁殼體;銑削加工;模態(tài)分析;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TG306? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0090-02

0? 引言

某薄壁殼體為某型產(chǎn)品的重要零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面設(shè)計(jì)有窗口、孔、槽及吊掛等結(jié)構(gòu)。由于其壁厚較薄、硬度高且加工精度要求高，屬于弱剛性零件，在銑削加工時(shí)零件結(jié)構(gòu)的固有頻率極易與周圍環(huán)境頻率（如機(jī)床的轉(zhuǎn)速頻率）一致，產(chǎn)生變形、振刀缺陷[1-2]。為解決上述問題，利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)，分析該薄壁殼體零件加工過程中的固有頻率和模態(tài)陣型是必不可少的[3]。對此本文基于ABAQUS有限元仿真軟件，對某薄壁殼體零件進(jìn)行模態(tài)分析，研究零件在銑削過程中的固有頻率及其對應(yīng)的模態(tài)陣型，為零件制造工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1? 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某薄壁殼體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，零件直徑為D，長度為L，殼體最薄處僅為1.6mm，屬于薄壁圓筒零件。產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜（殼體中部設(shè)計(jì)有吊掛，端部開有多處通孔、通槽）、形位公差及尺寸公差精度要求高（最高精度要求小于0.05mm），結(jié)構(gòu)剛性差。

在銑削加工零件中部吊掛時(shí)，原工藝方案采用一端用全包軟爪夾持，另一端用頂蓋及尾座頂緊的方式進(jìn)行加工。在進(jìn)行到精銑工序時(shí)，發(fā)現(xiàn)零件表面因工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛性較差震刀嚴(yán)重，部分零件甚至出現(xiàn)尺寸超差，難以滿足精度要求，為此需對原有工藝方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2? 薄壁殼體的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

為分析原有方案的不足，本文以中部吊掛銑削過程為對象，對薄壁殼體局部加工變形進(jìn)行研究。因零件在精加工過程中，銑刀直徑、銑削寬度和銑削深度相比于零件尺寸都非常小，所以對零件而言銑削過程去除的材料近乎可以忽略，對此本文采用有限元分析的方式對薄壁殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。

①有限元模型的建立。本文選取整個(gè)三維模型的方式進(jìn)行分析。使用UG建立零件三維模型，然后將模型導(dǎo)入ABAQUS中，進(jìn)而建立有限元分析模型。模型長度為L，直徑為D，壁厚為1.6mm，另外為降低計(jì)算成本，模型中忽略零件的孔及窗口等結(jié)構(gòu)。

②材料模型的選取。薄壁殼體的材料為馬氏體不銹鋼（材料牌號為C250）。材料的彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3。

③有限元網(wǎng)格劃分。本文使用掃掠的方式對薄壁殼體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在ABAQUS中進(jìn)行模態(tài)分析必須使用線性攝動分析步[4]，不宜使用六面體單元?jiǎng)澐?，本文選用單元類型為C3D4的四面體單元。

④邊界條件定義。本文對薄壁殼體的兩端所有節(jié)點(diǎn)采用零位移約束，以模擬薄壁殼體的實(shí)際裝夾情況。

2.2 薄壁殼體模態(tài)分析

本文采用Lanczos法對薄壁殼體進(jìn)行模態(tài)分析，薄壁殼體在裝夾時(shí)的前8階固有頻率與振型分別如表1、圖2所示。

分析前8階結(jié)果可知：①隨著階數(shù)的增加，薄壁殼體的固有頻率逐漸增加。在前8階中薄壁殼體的固有頻率集中在180～475Hz之間，其中1、2階，3、4階，5、6階，7、8階的固有頻率接近，為模態(tài)密集區(qū);2、3階，4、5階，6、7階固有頻率相差較遠(yuǎn)為模態(tài)稀疏區(qū)。②在前4階中薄壁殼體的振型比較簡單，主要表現(xiàn)為1、2階徑向膨脹變形及3、4階軸向彎曲變形兩種形態(tài)，其中振型的最大變形均發(fā)生在殼體的1/2處。③第5～8階，殼體的振型較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為徑向膨脹變形與軸向彎曲變形的耦合形態(tài)，隨著階數(shù)的增加，殼體的振型耦合程度越大，殼體的最大變形出現(xiàn)在殼體的1/4，1/2，3/4處。

3? 工藝方案優(yōu)化

由前8階模態(tài)分析可知，薄壁殼體的固有頻率主要集中在185Hz、246Hz、288Hz、475Hz處，因此在制定銑削工藝時(shí)，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)你娤魉俣纫员荛_零件的共振頻率。同時(shí)由前8階振型可知，3、4階時(shí)薄壁殼體1/2處有彎曲趨勢，說明此處剛性較弱，可在零件1/2處增加中心架以加強(qiáng)零件剛性;其他振型中，零件1/4，1/2，3/4出現(xiàn)徑向膨脹趨勢，為增加零件內(nèi)部剛性可在1/4，1/2，3/4處增加內(nèi)部支撐（如橡膠皮，或者充氣氣囊等）。按照上述方式改進(jìn)后，XX批薄壁殼體零件的結(jié)構(gòu)剛性得到顯著提高，加工變形及加工振刀現(xiàn)象基本消失，改進(jìn)后加工工藝可行性得到了驗(yàn)證。

4? 結(jié)論

本文借助ABAQUS有限元分析軟件對某薄壁殼體零件進(jìn)行三維建模以及模態(tài)分析，得到了該零件的前8階固有頻率及模態(tài)振型。分析可知：①薄壁殼體的固有頻率主要集中在185Hz、246Hz、288Hz、475Hz處，在銑削加工時(shí)，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)你娤魉俣纫员荛_零件的共振頻率;②由前8階振型可知，零件的1/4，1/2，3/4處剛性較弱，在1/4，3/4處存在徑向膨脹的變形趨勢，在1/2處存在彎曲及徑向膨脹耦合的復(fù)雜變形趨勢;③針對零件的振型特點(diǎn)，本文采用內(nèi)部填充支撐（如橡膠皮，或者充氣氣囊等）、外部增設(shè)中心架的裝夾方式，合理選用工藝參數(shù)，很好的解決了銑削加工中出現(xiàn)的變形及振刀缺陷，獲得了良好的工藝效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李廣超，許少云，孟超.某大型薄壁鋁合金殼體模態(tài)分析[J].應(yīng)用技術(shù)，2018，9：71-73.

[2]賈宏偉， 賈宏禹，方勇，等.復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工變形有限元模擬機(jī)裝夾布局優(yōu)選[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2015，12（1）：57-60，65.

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[4]莊茁，由小川，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.