王繼群

【摘 要】薄壁件類型的工業(yè)產(chǎn)品，剛度比較差、精度要求又高，這類產(chǎn)品在銑削加工過程中非常容易產(chǎn)生變形，而且也難以控制加工精度。本文采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)薄壁件加工變形進(jìn)行了分析，包括幾何模型簡(jiǎn)化、模型選擇、動(dòng)態(tài)加載、薄壁特征三維仿真模型的建立，通過對(duì)薄壁件的有限元數(shù)值模擬，分析了在不同工藝參數(shù)和不同約束條件下，對(duì)其加工變形的影響。

【關(guān)鍵詞】薄壁件;有限元;數(shù)值模擬;加工變形

中圖分類號(hào)： TG54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）31-0083-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.038

Finite Element Analysis of Milling Deformation of Thin-walled Parts

WANG Ji-qun

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Polytechnic College，Beijing 100042，China）

【Abstract】Thin-walled industrial products have poor stiffness and high precision requirements.They are prone to deformation in milling process，and it is difficult to control the processing accuracy.In this paper，the finite element numerical simulation technology is used to analyze the processing deformation of thin-walled parts，including geometric model simplification，model selection，dynamic loading and the establishment of three-dimensional simulation model of thin-walled features.Through the finite element numerical simulation of thin-walled parts，the processing of thin-walled parts under different process parameters and constraints is analyzed.The effect of deformation.

【Key words】Finite element;Numerical simulation;Machining deformation

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，在工程中薄壁件的應(yīng)用日益廣泛。在制造薄壁件過程中，這類產(chǎn)品的剛度低、可制造性差，由于受到材料性能、初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削力、夾緊力等因素的影響，非常容易產(chǎn)生變形，從而影響了其加工質(zhì)量。因此，薄壁件加工很難控制精度，它是切削加工中比較復(fù)雜的問題。

近年來，人們對(duì)薄壁銑削的切削過程進(jìn)行有限元模擬分析，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于薄壁件的銑削加工，有助于了解薄壁銑削的切削過程機(jī)理，提高薄壁銑削加工質(zhì)量，并且降低薄壁產(chǎn)品的制造成本。本文應(yīng)用有限元分析技術(shù)，對(duì)薄壁件銑削過程變形進(jìn)行數(shù)值模擬，包括幾何模型簡(jiǎn)化、模型選擇、動(dòng)態(tài)加載、薄壁特征三維仿真模型建立等。通過這些方法，分析了不同工藝參數(shù)和不同約束條件對(duì)薄壁件銑削加工變形的影響。

1 薄壁件變形有限元模型

在研究過程中，假設(shè)如下：

1）不考慮材料的塑性變形，不考慮加工刀具磨損的情況。

2）機(jī)床振動(dòng)和刀具偏心效應(yīng)帶來的影響忽略不計(jì)。

圖1 薄壁工件的幾何模型

1.1 幾何模型簡(jiǎn)化

在實(shí)際工程中，典型薄壁件的形狀是不斷變化的、復(fù)雜的、不規(guī)則的，其應(yīng)力和變形如果用解析算法計(jì)算分析是不可能的?？紤]到切削力在切削區(qū)域集中分布，薄壁件的變形與切削位置的局部形狀特征有關(guān)，我們認(rèn)為一種更合理的方法是：根據(jù)不同的局部形狀，采用不同的基本薄壁單元來近似薄壁結(jié)構(gòu)的形狀。薄壁單元邊界與工件其它部分的連接對(duì)薄壁件的局部變形有制約作用，是影響變形量的重要因素之一。用薄壁單元代替整個(gè)工件進(jìn)行變形分析時(shí)，薄壁單元與周圍其它工件的連接相當(dāng)于變形邊界條件。例如，與其它部分連接的邊可以看作是固定約束，而與其它部分不連接的邊應(yīng)該是自由的，兩個(gè)相鄰自由邊的相交頂點(diǎn)是自由角。

圖1是薄壁工件的幾何模型。加勁板尺寸：長(zhǎng)99mm，寬99mm，高2mm。按上述方法對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，固定底邊，施加動(dòng)荷載。

1.2 設(shè)置模型材料參數(shù)

工件材料為7075鋁合金，彈性模量E=70.3gpa，泊松比μ=0.31。刀具采用雙刃平端銑刀;刀具材料為硬質(zhì)合金;直徑12mm的刀具;順時(shí)針銑削方式。

1.3 施加動(dòng)荷載

銑刀在銑削過程中是連續(xù)進(jìn)給，在計(jì)算銑削力時(shí)，我們根據(jù)路徑將進(jìn)給過程離散成若干個(gè)位置，銑削位置是一個(gè)操作條件。為了簡(jiǎn)化分析過程，可以將每個(gè)切削位置的銑削力看作是沿切削方向軸向深度施加在刀具/工件接觸線中點(diǎn)上的集中載荷，也可以看作是施加在刀具/工件接觸區(qū)域上的均布載荷。因此，在接觸線上施加保持接觸面積動(dòng)態(tài)變化的銑削力作為移動(dòng)載荷，依次沿加工路徑移動(dòng)，完成整個(gè)切削過程。切削寬度遠(yuǎn)小于工件的實(shí)際厚度，因此忽略起始切削面和結(jié)束切削面的厚度?；谟邢拊治鲋械膮?shù)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)載荷可以循環(huán)施加。

2 變形過程分析結(jié)果

2.1 不同工藝參數(shù)的影響

不同工藝參數(shù)對(duì)變形過程的影響，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖2 最大變形與刀具位置之間的曲線

根據(jù)表1加工參數(shù)，研究不同加工參數(shù)下銑削力對(duì)加工變形的影響。進(jìn)給方向?yàn)閄，主切削力方向?yàn)閆，軸向力方向?yàn)閅，然后對(duì)工件施加進(jìn)給力和主切削力。由于施加在工件上的力是主要的切削力，進(jìn)給力和徑向力都很小，所以忽略不計(jì)。銑削力根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷法施加在有限元模型上，如圖1路徑所示。刀具加工路徑中不同位置的最大變形變化曲線如圖2所示。

根據(jù)以上結(jié)果，在相同的約束條件下，隨著加工工藝參數(shù)的不同，加工薄壁件時(shí)的變形也不同。我們還可以發(fā)現(xiàn)：力越大，變形越大、變形分布是中間變形較小，兩端變形較大。中間部分變形較小是因?yàn)閮蛇叾加屑s束，導(dǎo)致剛性比較強(qiáng)，而兩端變形較大的原因是自由無結(jié)構(gòu)約束，剛性較弱。

2.2 不同約束方法的仿真結(jié)果分析

基于圖1中的有限元模型，我們分別約束底部、兩側(cè)和三個(gè)側(cè)面。具體計(jì)算條件如下：根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表1，第三組工藝參數(shù)及相應(yīng)的銑削力見表2。

進(jìn)給方向?yàn)閄;主切削力方向?yàn)閆;軸向力沿Y方向，然后在工件上施加進(jìn)給力和主切削力。在不同的約束條件下，加工路徑中不同位置工件最大變形的變化曲線如圖3所示。

圖3 最大變形和刀具位置的變化曲線

在相同的工藝參數(shù)條件下，添加不同的約束條件會(huì)導(dǎo)致不同的加工變形。當(dāng)薄壁工件一側(cè)受到約束時(shí)，加工過程中刀具不同位置引起的變形是不同的，根據(jù)曲線，當(dāng)?shù)毒呶挥诒”诠ぜ吘墪r(shí)，薄壁工件剛性較小，變形大，當(dāng)?shù)毒呶挥谥虚g位置時(shí)，薄壁工件剛性強(qiáng)，變形小。當(dāng)薄壁工件具有雙面約束時(shí)，加工過程中刀具位置不同所引起的變形也不同，當(dāng)?shù)毒呶挥诩s束側(cè)時(shí)，薄壁工件具有很強(qiáng)的剛度，變形量為0，然后刀具離開約束邊，薄壁件的剛度變?nèi)酰a(chǎn)生較大的變形。當(dāng)薄壁工件具有三面約束時(shí)，加工過程中不同刀具位置引起的變形也不同。當(dāng)?shù)毒呶挥诩s束側(cè)時(shí)，薄壁工件具有很強(qiáng)的剛度，變形量為0，然后刀具離開約束邊，薄壁件的剛度變?nèi)?，產(chǎn)生較大的變形，當(dāng)?shù)毒呶挥谥虚g位置時(shí)，變形達(dá)到最大值，然后刀具離開中間位置，變形逐漸變小。同時(shí)，我們可以看到，三邊約束的變形比兩邊約束的變形要小得多。

3 結(jié)論

本文通過有限元數(shù)值模擬，分析了在不同加工參數(shù)和不同約束方式下，銑刀對(duì)銑削薄壁件加工變形的影響。

1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，基于模型的局部結(jié)構(gòu)特征，有限元分析法可以預(yù)測(cè)薄壁件加工變形。

2）在相同的約束條件下，加工薄壁件時(shí)，隨著加工參數(shù)的不同，變形也不同，力越大，變形越大。變形近似為曲線，兩端變形較大，中間變形較小。

3）在相同的工藝參數(shù)條件下，加入不同的約束條件，會(huì)引起不同的加工變形。具有三邊約束的工件變形最小。因此我們?cè)趯?shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)保證薄壁件具有足夠的剛度以減小變形。

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