劉俊文，羅志恒，傅仁科，余 剛

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，在航空航天領(lǐng)域中，飛行器結(jié)構(gòu)往往追求輕量化，因為飛行器結(jié)構(gòu)輕量化可以有效降低載荷，使飛行器的飛行效率提高，因此，飛行器上所需的各種管路結(jié)構(gòu)件往往會盡可能薄?，F(xiàn)階段管接嘴類零件在生產(chǎn)制造過程中，零件裝夾固定時會受到夾具的夾緊力而發(fā)生變形，從而引起加工誤差。本文以三通管為例，通過采用Solid Works軟件分別建立工件、夾具模型并裝配，使用ABAQUS軟件對三通管的加工裝夾過程進行仿真分析，從而為后期優(yōu)化管接嘴類零件的加工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工件裝夾變形分析

本文采用Solid Works軟件分別建立工件、夾具模型并裝配，采用ABAQUS軟件進行仿真分析。仿真分析過程包括三個階段：前處理、分析計算、后處理。本文以三通管為例，采用平壓頭與U形下夾頭方式進行裝夾。其中，前處理包括導(dǎo)入部件、創(chuàng)建材料、截面屬性和定義裝配件，由于管接嘴類零件一般采用鋁合金與合金鋼材料加工制作，為了分析夾頭材料對工件變形的影響，同時為了簡化運算，在模塊的材料和截面屬性的創(chuàng)建中分別將夾具材料設(shè)置為鋁合金和合金鋼進行仿真。

分析計算包括劃分網(wǎng)格、設(shè)置分析步、定義接觸和邊界條件以及提交分析作業(yè)。將工件-夾具裝配起來，將夾具與工件劃分四面體網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)分析模式對工件進行分析。為了簡化分析過程，對使用平壓頭的方案，直接施加壓強載荷在工件上側(cè)方凸臺的表面，對使用U形或V形上夾頭的方案，在上夾頭上側(cè)方凸臺表面施加壓強載荷，用壓強載荷來模擬夾緊力F。一般情況下，夾頭裝夾方式有：①平壓頭與U形下夾頭，②U形上夾頭與U形下夾頭，③平壓頭與V形下夾頭，④V形上夾頭與V形下夾頭，由于本文以平壓頭與U形下夾頭方式進行裝夾三通管為例，裝夾如圖1所示，在設(shè)置加載力模塊中，在夾緊力設(shè)置方向設(shè)置夾緊力F，同時設(shè)置下夾頭下表面的邊界條件為U1=0。其中，網(wǎng)格劃分是仿真計算的重要步驟，網(wǎng)格的質(zhì)量直接關(guān)系到計算速度和計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外，網(wǎng)格布置太稀疏容易造成網(wǎng)格畸變、計算不收斂，網(wǎng)格布置太密集又會占用太多的內(nèi)存和時間。創(chuàng)建分析作業(yè)，將前面定義的模型和邊界條件提交求解器進行求解，提交分析作業(yè)。

圖1 平壓頭與U形下夾頭與裝夾時夾緊力施加方式圖

提交分析完成后，進入后處理模塊查看分析結(jié)果。分析結(jié)果可以多種方式顯示，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖等，也可以讀取各類數(shù)據(jù)文件做進一步分析計算。由于工件、夾具、載荷的對稱性，選取三通管的2端來分析其夾緊前后的變形情況。而對于夾頭主要關(guān)注其在夾緊力方向上的位移。圖2和圖3為采用U形下夾頭及平壓頭裝夾方案的仿真分析結(jié)果輸出，此時夾頭材質(zhì)為合金鋼，夾緊力F=6000N，方向與圖中坐標(biāo)系z軸正方向相同，圖中y軸正向指向三通管的2端。

圖2 管接嘴在U型下夾頭及平壓頭裝夾的變形仿真云圖

圖3 U形下夾頭及平壓頭裝夾的變形仿真云圖

在后處理過程中，選取如圖4所示的三通管2端外圓面上的所有節(jié)點建立新的顯示組，并可建立空間柱坐標(biāo)系，從而可以輸出夾緊前后節(jié)點對應(yīng)的徑向位移值，三通管的徑向位移云圖如圖5所示。此時最大值為8.7μm，最小值為-12.3μm。其中，位移值為正值表示變形后該節(jié)點遠(yuǎn)離中心軸，位移值為負(fù)值則表示該節(jié)點靠近中心軸。

圖4 三通管2端外圓面上節(jié)點構(gòu)成的顯示組圖

圖5 三通管的徑向位移云圖

由于零件的夾緊變形主要受到夾緊力、裝夾方案等因素的影響，本文除了對夾緊力在F=6000N時，平壓頭與U形下夾頭與裝夾時進行有限元模擬進行分析，同時，采用控制變量法分別對不同夾緊力和裝夾方案進行有限元模擬進行分析。表1表示三通管平壓頭與U形下夾頭與裝夾時F分別為2000N、4000N、6000N、8000N和10000N管嘴2的外圓面上所有節(jié)點的徑向位移最值匯總，以分析三通管在不同夾緊力下的裝夾變形規(guī)律。表2表示夾緊力為6000N時，不同裝夾方案下管嘴2的外圓面上所有節(jié)點的徑向位移最值匯總。表3表示材料為合金鋼及鋁合金在夾緊力均為6000N時，三通管2端外圓面上節(jié)點徑向位移最值匯總。

表1 不同夾緊力下，工件管嘴2外圓面上節(jié)點位移最值匯總

表2 不同裝夾方案下，工件管嘴2外圓面上節(jié)點位移最值匯總

表3 三通管2端外圓面上節(jié)點徑向位移最值匯總

綜合比較各裝夾方案下的三通管裝夾變形仿真分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）各個裝夾方案下，夾緊力增大時，工件應(yīng)力隨之呈比例增大；

2）上下夾頭均為U形頭時，工件裝夾變形量最小，當(dāng)工件尺寸精度要求較高時，可選用此方案；

3）合金鋼的夾頭比鋁合金的夾頭裝夾效果更好；

4）合理設(shè)計夾具造型和合理選用夾緊力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致工件局部變形量過大。

2 零件加工過程中切削力、夾緊力作用分析

切削力來源于刀具在切削時受到工件的彈塑性變形力以及摩擦力，影響切削力大小的因素包括工件材料、切削用量、刀具相關(guān)參數(shù)以及切削液等。利用ABAQUS有限元分析軟件進行分析，考慮夾緊力、切削力聯(lián)合作用，其中上、下夾具均采用U形夾頭，夾緊力設(shè)為6000N，夾具材料為合金鋼，工件材料為鋁合金，采用靜力分析方法進行仿真分析，對三通管2端位置進行分析。圖6中A、B、C、D點為零件仿真加工過程中選定點，又稱為切削點。徑向位移值匯總?cè)绫?所示，當(dāng)三通管處于不同切削位置時，切削點的徑向位移也不同。

表4 不同切削狀態(tài)下各切削位置徑向位移最值匯總表

圖6 切削點的位置圖

圖7為A、B、C、D四個點所在截面，圖中外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)圓虛線代表工件的初始表面；外側(cè)實線表示受夾緊力、切削力作用而變形的工件外圓表面；內(nèi)側(cè)虛線為理想刀具軌跡，也為標(biāo)準(zhǔn)圓，內(nèi)側(cè)紅色實線代表卸載后發(fā)生回彈變形的工件外圓表面；圖中打剖面線的區(qū)域代表加工中實際切除的區(qū)域。以切削B點為例，主切削力為300N時，B點徑向位移約為-9.4μm，則切削時B位置少切削了9.4μm，造成B位置實際半徑比標(biāo)準(zhǔn)值大約9.4μm。整理表4中數(shù)據(jù)，得到工件外圓面的誤差值預(yù)測，如表5所示，其中正值表示預(yù)測值比理想值大。從表中數(shù)據(jù)可以看出，直徑AC的值受切削力變化影響較大。

圖7 切削位置所在截面示意圖

表5 工件外圓面的誤差值預(yù)測匯總表

3 結(jié)論

綜合分析和研究三通管加工裝夾仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）加工薄壁類管接嘴類零件時，合金鋼的夾頭比鋁合金的夾頭裝夾效果更好。當(dāng)工件尺寸精度要求較高時，可采用上、下夾頭均為U形頭裝夾方式；

2）夾緊力增大時，工件應(yīng)力也增大；

3）零件加工過程中，直徑方向受切削力變化影響較大；

4）應(yīng)合理設(shè)計夾具造型并合理選用夾緊力和切削力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致工件局部變形量過大。