基于ABAQUS的航空叶轮铣削变形机理研究*

李　林，蔡安江

(西安建筑科技大学 机电工程学院，西安　710055)



基于ABAQUS的航空叶轮铣削变形机理研究*

李林，蔡安江

(西安建筑科技大学 机电工程学院，西安710055)

摘要：高速铣削制造航空整体叶轮时，叶轮叶片的变形问题是影响叶轮加工精度的主要原因。而铣削过程中的铣削力、切削热、残余应力则是导致叶片变形的直接因素。为了探究叶片的变形机理，基于叶片的几何特征和加工工况，提出了将叶轮叶片简化为悬臂梁结构的分析方法，同时采用有限元分析软件ABAQUS建立反映叶片铣削过程高温、高应变率状态的铣削模型，模拟分析不同铣削参数下整体立铣刀铣削航空铝合金7075-T7451叶片的过程。叶片铣削模拟过程揭示了铣削速度、每齿进给量、径向铣削深度三个主要铣削参数对铣削力、切削热、叶片表面残余应力的影响，为制造整体叶轮时加工参数的选取、加工变形及震颤控制提供依据。

关键词：航空叶轮；铣削变形；残余应力；有限元分析

0引言

复杂航空整体结构件中的典型工件为整体叶轮，在叶轮铣削过程中叶片的变形控制及获得较高的加工精度是加工过程中考虑最多且最重要的两大因素[1]。传统的基于几何形状规划的刀具轨迹、选取工艺参数的方法，无法前瞻性的预测叶片的变形必然导致实际加工表面轮廓与理论轮廓之间存在较大偏差，难以保证叶片加工的精度和效率[2]。为了能从根本上解决这一问题，必须探究叶片的变形机理，从而选取合理的加工参数及加工补偿。分析叶轮的几何结构可知，叶片根部与轮毂固定、顶端处无约束，与悬臂梁结构类似，故将叶片简化为悬臂梁结构。同时将简化叶片导入ABAQUS有限元分析软件建立了整体叶轮叶片的铣削模型，通过不同铣削参数组合，揭示了叶片铣削过程中铣削力、切削热及残余应力的变化规律，进而为后序优化关键的工艺参数及叶片加工变形补偿提供了依据，最终达到改善叶片加工精度和提高整体叶轮加工效率的目的。

1有限元模拟关键技术处理与模型定义

有限元模拟的关键技术包括Johnson-Cook塑性本构模型、材料模型的设置、切屑与工件的分离准则、工件与刀具的接触设置等。上述技术的解决是建立有限元铣削仿真模拟的关键所在，同时对于模拟结果是否准确有着直接的影响[3]。

1.1塑性材料本构模型

材料本构模型一般表示为流动应力与应变、应变率、温度等变形参数之间的数学函数关系。当前常用的塑性材料本构模型主要有：Bodner-Paton、Follansbee-Kocks、Johnson-Cook、 Zerrilli-Armstrong等模型[4]，Johnson—Cook模型认为材料在高应变速率下表现为应变硬化、应变速率硬化和热软化效应，符合叶片铣削过程中的工件状态[5]，故选择Johnson-Cook模型作为材料本构模型, 同时采用Johnson-Cook剪切失效准则作为刀屑分离的准则。

(1)

1.2刀具和切屑接触摩擦模型

在粘结的条件下，刀屑接触面的摩擦状态表征为切屑与刀具的粘结层与其上层金属的内摩擦发生的剪切滑移，与材料的粘结面积大小以及材料的流动应力有关[6]。滑移区的摩擦力与接触压力成正比，切屑在滑移区滑动最终离开前刀面[7]。如图1所示,二维模拟切削过程中的摩擦类型及分布情况。

图1　二维模拟切削摩擦类型及分布

利用库伦摩擦定律定义刀具与切屑间的摩擦，通过下式来判断摩擦的类型[8]

(2)

1.3三维铣削几何模型建立与网格划分

ABAQUS软件的三维建模能力有限，本文在UG中建立铣刀的三维模型，转换为中性IGS格式后导入ABAQUS的part模块中进行模型修正。铣刀直径为12 mm，螺旋角为30o，铣刀刃数为4，工件的尺寸为300mm×50mm×5mm。本文采用自适应网格划分技术选定工件单元类型为C3D8R(六面体8节点三维实体缩减单元)，网格尺寸为0.1 mm，刀具单元设定为三角形单元Tri，单元类型为R3D3,网格尺寸为0.5mm。

1.4材料参数与运动参数设置

工件材料为航空铝合金7050-T7451，密度ρ=2820kg/m3,弹性模量E=71.7GPa，泊松比μ=0.33, 转换到Johnson-Cook 模型材料参数分别为A=490MPa、B=206.9MPa、n=0.344、c=0.005、m=1.80[9]。刀具的材料为硬质合金，密度ρ=15000kg/m3，弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.22，线膨胀系数al=0.22mm/℃,导热率K=4.6E+01W/(m·K)。

运动参数的设置是在载荷模块中固定工件下底面的六个自由度(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，在局部坐标系下，选中铣刀中心参考点，进行进给速度(V1—X轴负方向)数值设定和旋转速度(VR3—绕Z轴旋转)数值设定，完成刀具沿着X轴负方向进给线速度以及绕Z轴旋转的角速度的运动轨迹定义。

各项参数设定完成后，提交Job命令进行叶片铣削过程模拟，如图2所示。图中所示的是铣刀沿x轴方向行至100mm处时的铣削状态。

图2　叶片铣削过程模拟

2铣削加工过程分析

在实际加工过程中高速铣削相较于常规加工具有提高加工效率、改善工件的加工精度、优化整体结构零件加工表面质量的优点[10]，故将铣削速度定义在高速铣削状态，揭示叶片变形规律，在DMU210FD铣车复合加工中心进行叶轮的加工试验。选定的铣削速度为v=400、450、500m/min，fz=0.05、0.08、0.10、0.12mm/z，ae=0.5、1.0、2.0、3.0mm铣削深度ap=10mm，顺铣加工。

图3　铣削加工过程

3计算结果分析

图4为v=400m/min，fz=0.1mm/z，ae=3 mm时得到的铣削力，可以看出铣削力呈周期性分布，这是由于铣刀有四个刀齿，所以当刀具运动一定时间后,切削力出现有规律性的波峰和低谷现象。将铣削力的系列波峰和波谷的最大值求和取平均值，通过对比发现当径向深度为1mm时随每齿进给量的增加铣削力没有太大变化，当径向深度增加为2mm和3mm时，铣削力随每齿进给量的增加明显加大，这是由于径向铣削深度的增加，使瞬时参与切削的刀刃数开始多于1。此外在其他铣削参数不变的情况下，随着铣削速度的增大，铣削力呈减小的趋势。所以在相同的参数条件下，应尽可能选择高的铣削速度，以提高铣削效率，减小铣削力。

图4　铣削力随时间变化曲线

为了分析切削热与铣削参数之间的关系，在此分别改变铣削速度、每齿进给量、径向深的大小进行仿真分析结果如图5所示。从铣削模拟过程来看，铣刀刀刃作用位置附近的工件表面温度呈非均匀分布状态。刀尖处最高温度均随铣削速度增加而升高，但温度升高的速率是逐渐减小的。发生这一现象的原因是铣削速度的增大使得在单位时间内产生的热量增多，致使切削温度升高，同时切屑产生的速度加快，切屑带走的热量增多，导致传递给铣刀切削热的比例减小，从而使得刀尖温度升高的速率减小。另外刀尖处最高温度随每齿进给量、径向切深的增加也有升高的趋势，但是升高的幅度较小，这是由于每齿进给量或径向切深的增加均使得单位时间内材料的切除率增大，导致切屑带走的热量也增加，故对刀具温度升高幅度影响较小。

图5　不同铣削参数对铣刀温度的影响

在铣削加工中，残余应力的产生与切削力热载荷和材料内部微观结构等因素有很大关系[11]。图6是在不同的铣削参数下，工件表面残余应力分布规律。

图6　表面残余应力变化曲线

图6a中是在铣削速度为450m/min、切削深度为1mm时，不同的每齿进给量下残余应力的曲线图。可以看出: 随着每齿进给量的增大，出现最大残余压应力的深度由0.2mm增大到0.7mm，由压应力转换为拉应力的深度即塑性变形深度由0.56 mm增大到1.90mm。当每齿进给量为0.08mm/z时整体表面残余应力最小，每齿进给量偏大和偏小都会使两者增大。进给量增大，工件塑性变形区域增大从而导致产生的表面残余应力减小，同时铣削温度随之增大，热应力引起的表面残余应力增大。进给量减小，塑形变形区域会减小，产生的残余应力变大，铣削温度降低，故综合导致了图中所示的情况。

图6b中是在铣削速度为450m/min、每齿进给量为0.1mm时，不同的径向铣削深度下残余应力的曲线图。可以看出：随着径向铣削深度的增加，工件残余压应力的深度也随之增大，工件发生塑性变形的深度加深。产生残余压应力增大这一现象的原因是: 由于径向铣削深度增大从而增加了铣削区域，增大了切削过程中的切削力，刀具对工件的作用力增大，导致工件残余压应力的范围变大。

图6c是在每齿进给量为0.1mm、切削深度为1mm时，不同的铣削速度下残余应力的曲线图。可以看出工件表面的残余应力随着铣削速度的增加有减小的趋势，其原因在于随着铣削速度增加，铣削力增大导致铣刀刀刃后方工件上的塑性变形增大，压应力增大，拉应力减小; 而同时铣削温度升高，热应力使表层产

生残余拉应力，拉应力增大，压应力减小。上述两方面原因叠加导致表面残余应力的变化。

4结束语

利用ABAQUS有限元分析软件，通过针对不同铣削速度、每齿进给量和径向切削深度组合的模拟实例，得到了简化叶片模型在高速铣削过程中表面的残余应力在进给方向上沿深度的分布规律以及铣削力和切削热的变化情况。为进一步研究叶片加工变形补偿和叶片加工震颤问题提供了依据。

[参考文献]

[1] 汤爱君.薄壁零件铣削加工三维稳定性及参数优化[M].北京：国防工业出版社，2014.

[2] 程凤军，陈国定，王涛.Deform3D软件支持的球头铣刀铣削仿真分析[J].机械科学与技术，2012，31(3)：412-416.

[3] 姬伟. 薄壁件铣削加工误差预测与快速铣削仿真平台的开发[D].南昌：南昌航空大学，2012.

[4] tasi J S,Liao C L. Finite-element modeling of staic surface errors in the peripheral milling of thin walled workpieces[J]. Journal of Materials Processing Technology,1999,94:235-246.

[5] Ratchev S, Nikov S, Moualek I. Material removal simulation of peripheral milling of thin wall low-rigidity structures using FEA[J].Adv.Eng.Soft,2004,35(8-9):481-491.

[6] 金浩.高速切削铣削力的有限元分析与试验研究[D].西安：西安理工大学，2014.

[7] Zorev N N. Inter-relationship between shear processes occurring along tool face and shear plane in metal cutting[A].International Research in Production Engineering,1963.

[8] 江丙云.ABAQUS工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[9] 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册(第四卷)[M]. 2版.北京:中国标准出版社，2002.

[10] Tlusty J, Smith S,Winfough W R. Techniques for the use of long slender end mills in high speed milling[J].Annal of the CIRP,1996,45(1):393-396.

[11] 曾红，韩笑.铣削加工曲面残余应力有限元分析[J].机床与液压，2013，41(5)：49-52.

(编辑赵蓉)

Research on the Deformation Mechanism of the Aviation Impeller Milling Based on ABAQUS

LI Lin，CAI An-jiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi ’an 710055，China)

Abstract：The deformation of the impeller blade is the main reason for the machining accuracy of the impeller when high speed milling the whole impeller. The milling process of milling force, cutting heat, residual stress is a direct factor leading to blade deformation. In order to explore the mechanism of deformation of blade, based on the geometrical characteristics of the blade and the processing condition, puts forward a design of simplifying the impeller blades to the cantilever beam structure。Using finite element analysis software ABAQUS to establish a model of the milling blade to reflect the state at high temperature and high strain rate. The simulation of Al 7075 -T7451 blade milling process is under different milling parameters and by overall vertical milling-tool. This milling machining simulation process reveals the influence of the milling speed, feed per tooth, radial milling depth, three main processing parameters ,on milling force, cutting heat and residual stress of the blade. The research can provide helps in the selection of milling parameters, machining deformation and controlling milling vibration.

Key words：aviation impeller; milling deformation; residual stress; finite element analysis

文章编号：1001-2265(2016)05-0036-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.010

收稿日期：2015-06-04；修回日期：2015-07-10

*基金项目：陕西省工业攻关项目(2012K09-24、2014K07-06)；西安市科技计划项目(CXY1439(3))

作者简介：李林(1990—)，男，山东枣庄人，西安建筑科技大学硕士研究生，研究方向为多轴铣削加工工艺，(E-mail) willsendme@163.com；蔡安江(1965—)，男，上海人，西安建筑科技大学教授，博士生导师，研究方向为数字化设计制造技术。

中图分类号：TH166;TG659

文献标识码：A