航空薄壁件三维铣削过程的有限元仿真*

辛顺强 叶海潮 王聪康

（南昌航空大学航空与机械工程学院，江西 南昌 330063）

航空薄壁件三维铣削过程的有限元仿真*

辛顺强 叶海潮 王聪康

（南昌航空大学航空与机械工程学院，江西 南昌 330063）

铣削加工中铣削力是导致加工变形的直接原因，而航空薄壁件加工中，加工变形是加工误差产生的主要因素。通过有限元法对航空薄壁件的铣削过程进行三维仿真模拟，揭示了切削深度、切削速度以及摩擦因素对切削力的影响。

有限元法 薄壁件 铣削 切削力

航空薄壁件因其特有的强度高、重量轻、具有高承载性等特点，越来越多地在航空工业中得到应用，特别是在要求降低自身重量又不失强度、刚度的大型飞机制造中得到很好的应用[1]。但是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。铣削加工作为加工整体梁、框、肋等形状复杂、大尺寸、弱刚度薄壁构件最为典型的方法在航空制造中被广泛采用。

目前针对切削加工的有限元仿真模拟一般都集中在二维正交切削上[2～6]，而针对实际的三维铣削过程模拟研究的很少。为了能够真实地反映铣削加工过程，笔者采用有限元软件ABAQUS建立铣削加工的有限元三维模型，获得了铣削力，并分析了铣削力随切削深度、切削速度变化的规律，同时研究了摩擦因素对切削力的影响。

1 有限元模型

1.1 材料模型

ABAQUS默认的塑性材料特性应用金属材料的经典塑性理论，采用Miss屈服面来定义各项屈服。金属材料弹塑性变形行为可以简述如下：在小应变时，材料性质基本为线弹性，弹性模量E为常数；应力超过屈服应力（yield stress）后，刚度会显著下降，此时材料的应变包括塑性应变（plastic strain）和弹性应变（elastic strain）两部分；在卸载后，弹性应变消失，而塑性应变是不可恢复的；如果再次加载，材料的屈服应力会提高，即所谓的加工硬化（work hardening）。

在单向拉伸/压缩实验中得到的数据通常以名义应变εnom和名义应力σnom表示，其计算公式为

式中，Δl为试样的长度变化量；l0为试样的初始长度；F为载荷；A0为试样的初始截面面积。

为了准确地描述大变形过程中截面面积的改变，需要使用真实应变εture（又称对数应变）和真实应力σture，它们与名义应变εnom和名义应力σnom之间的换算公式为

式中：l为试样的当前长度；A为试样的当前截面积。

真实应变εture是由塑性应变εpl和弹性应变εel两部分构成。在ABAQUS中定义塑性材料参数时，需要使用塑性应变εpl，其表达式为

1.2 铣削模型的建立

通用有限元软件ABAQUS具有强大的线性和非线性求解能力，本文主要是利用其动力、显式分析模块。

从宏观上讲，铣削加工是一个断续切削过程，其切削力作用点时刻在变化着。但从微观角度出发，将铣削刃划分为微段铣削刃，如图1所示，对每一微段铣削刃的切削过程都可以看作基本的正交切削或斜角切削过程进行分析。

对铣削加工过程整体进行有限元模拟仿真，由于铣刀形状复杂，需要划分非常细小的网格，同时工件比较大，导致计算量非常大。加之实验室工作站计算速度有限，所以本文取铣削加工的一个微元段做斜角切削过程模拟分析。

本文将铣削模型简化为直角切削模型。工件尺寸为10 mm×3 mm×2 mm，工件网格尺寸为0.1 mm。单元选取C3D8R。刀具单元选取为三角形单元，网格尺寸为0.51 mm。通过有限元软件建立的有限元铣削模型如图2所示。

2 切削加工过程模拟

本文中刀具设置为刚体，不考虑刀具在切削过程中的变形。工件材料为航空材料7075铝合金，弹性模量（E）与泊松比（T）分别为70 GPa和0.33，刀具设定为刚体，以减小计算量。模拟分析过程，将切削速度设定为恒定，依次增加切削深度；然后将切削深度设定为恒定，依次增加切削速度。分别取出各种参数下的最大切削力，进行数据比较。具体模拟过程，如图3所示。

3 仿真结果及分析

通过设定边界条件的方法设定刀具的线速度分别为10、15、20、25、30、35 m/s，在这6种切削速度的条件下，又分别模拟当切削深度为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm时的切削加工过程。共进行36次模拟计算，分析切削力。

图4为切削线速度30 m/s、切削厚度0.5 mm条件下，不考虑摩擦因素，各方向切削力随切削进程的时间变化曲线。可以认为切削力是刀具前刀面和切屑、后刀面与已加工表面的应力的合力在加工方向上的分力。因为切削路径方向平行于X轴，X方向的切削分力最大且与切削合力相差很小，所以本文采用X轴上力的最大值来表现切削力。从图4也可以清楚地看到，X轴方向的切削力与切削合力最为接近。

图5为切削线速度30 m/s、切削厚度为0.5 mm条件下，考虑摩擦因素，各方向切削力随切削进程的时间变化的曲线。通过比较两组图片可以看出，当考虑摩擦因素时，刀具运动的主方向上的切削力是增大的，而其他两个方向的切削分力明显减小。切削合力略有增大。

从两幅图的比较可以看出Z方向的切削分力受摩擦力的影响很明显，Z方向的摩擦分力缩小了1/2多，而且当切屑断裂的时刻，摩擦力波动剧烈。从这个侧面也说明了切削加工过程中，振动主要是由于摩擦以及切屑断裂等因素导致的。

图6为在不同的切削速度条件下，切削力随切削深度变化的曲线。图7为在不同的切削深度条件下，切削力随切削速度变化的曲线。

从图6可以看到，在不同切削速度条件下，切削力都是随着切削深度的增加而增大的。这主要是因为，切削深度的增大，直接使得切削面积的变大，在相同切削状态下，刀具所受力相应也就变大。不过在切削深度增加的同时，整体变形系数和摩擦系数会降低。但是总体上说，减小量不如增加量来的多，所以切削力随之增大。

从图7也可以看到，切削力是随着切削速度的增大而减小的。这是因为随着切削速度的提高，刀具表面和切屑之间的流动速度大大提高，大部分的热量被切屑迅速带走，使刀具表面散热条件得到改善，同时切削力也随切削速度上升而减小，摩擦生热也被减弱，切削温度得到下降。

4 结语

采用有限元法对航空薄壁件三维铣削过程进行了模拟，分析了摩擦因素对切削力的影响。获得了切削力随切削深度及切削速度变化的规律曲线。分析可知从刀具切入到切出，切削力不停地波动，切削力先增大后减小，当切屑断裂时，Z方向的切削力波动剧烈。随着切削深度的增加切削力增大，随着切削速度的增大切削力减小。

[1]胡志明，王仲奇，吴建军，等.航空薄壁件铣削加工铣削力预测方法研究[J].机床与液压，2008，36（3）：14-12.

[2]路冬，李剑峰，融亦鸣，等.航空铝合金7075-T745三维铣削过程的有限元仿真[J].中国机械工程，2008，19（22）：2708-2710.

[3]O.Pantale，J.-L.Bacaria，O.Dalverny etc..2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects.Comput.Methods Appl.Mech.Engrg.2004（193）：4383-4399.

[4]R.Johnson，W.K.Cook.A constitutive model and data for metals subjected to large strains high strain rates and high temperatures，7th International Symposium on Balistics；The Hague，1983：541-547.

[5]G.R.Johnson，W.H.Cook，Fracture characteristics of three metals subjected to various strains，strain rates，temperatures and pressures，Engrg.Fracture Mech.1985，21（l）：31-48.

[6]蒋志涛，刘泓滨，王飞，等.ABAQUS的高速铣削二维仿真分析[J].现代制造工程，2008（8）：45-47.

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The Finite Element Simulations of Three-dimensional Milling Process to the Airnautical Thin-walled Parts

XIN Shunqiang，YE Haichao，WANG Congkang
（School of Aeronautical and Mechanical Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，CHN）

The milling force is the direct cause that leads to deformation processing，but for the processing of air thin pieces，machining errors is a major factor that results deformation.Through threedimensional simulations of airnautical thin-walled parts of milling process using finite element method，it was revealed that cutting force was impacted by the depth of cut，cutting speed and friction factors dircetly.

Finite Element Method；Thin-wall Parts；Milling；Cutting Force

* 航空科学基金项目（2006ZE56006）；江西省教育厅科学技术研究基金项目（2007-172）；南昌航空大学研究生创新基金资助项目（YC2008028）

辛顺强，男，1983年生，硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造技术，已发表论文1篇。

（编辑 余 捷） （

2009-09-25）

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