铝合金薄壁件铣削变形的有限元分析①

程婷婷,徐小飞

(安徽机电职业技术学院机械工程学院,安徽 芜湖 241000)

0 引 言

航空、航天领域中薄壁件以其特殊的综合性能优势而被广泛应用。在薄壁件铣削加工过程中，由于薄壁结构刚性差，导致零件容易受切削力和切削温度影响而产生加工变形情况。通过金属切削知识、有限元技术以及多目标的优化模型的建立，为航空薄壁件的加工难题带来进一步发展。利用ABAQUS有限元软件建立模型过程。预测了铣削变形过程，实验验证虽然有限元模拟与加工变形之间存在一定的误差现象，但是结果对实际影响较小，对解决航空薄壁件变形问题具有实际意义。

1 薄壁件铣削有限元仿真实现

1.1 工件和刀具几何模型建立

研究航空铝合金薄壁件材料为7050-T7451[1]，由于铣削过程会产生弹塑性变形现象，刀具选择直径为10mm的YG8[2]两刃立铣刀，其具有高强度、抗冲击性和抗振动性特点，在薄壁件铣削加工时变形量较小。

利用UG软件对铣刀外形进行建模，通过接口导入到part模块下，再对其进行修复工作，接着将工件模型在ABAQUS中进行建模。工件尺寸：50×25×4。工件分为水平部分和垂直薄壁部分，进行上述操作后需要对工件的垂直部分进行网格划分，而水平部分则需要通过减少计算工作量来达到最终模型建立工作。在研究薄壁件切削变形时，考虑理想状态下将刀具设置为刚性体进行研究，造型时以刀杆顶面的中心为参考点来分析。完成工件和刀具的几何模型。

1.2 薄壁件材料模型建立

薄壁件的本构方程

通过Johnson-Cook建立的材料本构关系的优越性，可适用不同材料参数，且具有形式简单的特点。见公式1[3]：

(1)

1.3 模型装配过程

装配任务之前对每个部件设置单独的局部坐标系。使用装配功能将各个部件创建成实体，通过定位形成一个完整的装配件。对刀具和工件进行装配。

1.4 网格划分

有限元仿真网格划分决定有限元运算的精度。因此为了有效的分析薄壁件切削加工就需要将应力集中处的网格密分，通常适用三角形网格来过渡四边形网格。实际加工中应对刀具切削部分进行细分，在充分考虑了上述因素前提下，对工件切削部分进行网格细分，基于工件外形较简单，所以采用了结构化分技术。

1.5 设置分析步与加载

ABAQUS/CAE[4]的后续分析步会及时导出切削力、切削温度和加工变形等数据。

ABAQUS中Load模块能够轻松实现刀具运动时绕自身的旋转运动和直线运动。在初始分析步和Step-cut中定义装夹与刀具的运动方式。为便于展现加工变形状况，定义出节点的集合。如图1所示：

图1 加工变形输出层节点的选择

1.6 仿真结果

设定铣削加工参数：主轴转速n=1200 r/min，轴向切深ap=25mm，径向切深ar=2mm，每齿进给量fz=0.125mm，使用ABAQUS软件对加工过程进行仿真练习，得出有限元仿真加工变形云图。如图2所示：

图2 有限元铣削仿真结果(加工变形)

通过将加工表面的节点转成集合，同时以加工变形的集合作为输出量，通过数据(.dat)文件中节点坐标、坐标值和变形量得到所需的数据。绘制出铣削薄壁件水平薄壁的位置的变形量如图3所示：

图3 铣削水平方向节点变形量

利用上面薄壁件水平方向变形量输出结果选择了X10轴线处11个节点的变形量输出。然后对照相应节点的顺序来定义出路径，通过ABAQUS的XY Data模块输出相应路径上的变形情况。如图4所示:

图4 X10轴线节点仿真变形量

2 试验验证

实验设置了相同的参数下进行铣削加工过程。实验加工时使用的设备是瑞士的五坐标加工中心，Y轴为研究的变形方向。共加工四块厚度为4mm的板件，且Y向距离为65mm,46mm,27mm和8mm，轴向切深ap=25mm、径向切深ar=2mm。

通过对不同板进行了验证，具体参数如表1所示：

表1 四块板的参数输出

铣削加工的过程如图5所示：

(a)对1/2块铝板加工 (b) 整体铣削过程

加工结束后使用三坐标测量仪对四块板件进行检测。对比结果如图6所示：

图6 有限元仿真与试验变形结果

对比结果发现，有限元模拟与加工变形之间存在一定的误差现象。对于误差的分析主要有：首先模型中考虑到刀具为刚体，而实际加工时刀具会存在磨损情况出现；其次实际加工会产生振动，而有限元模型则认为是一种理想的状态下；最后就是任何的测量的系统都会存在测量误差。实验值和有限元模型值之间误差仅在0.01-0.05(mm)内，对实际的影响较小。

3 结 语

航空薄壁件的加工变形问题直接影响着航空业的发展，通过对研究材料的分析，基于弹塑性变形理论的基础之上，利用ABAQUS有限元软件建立模型过程。并预测了铣削变形过程，利用实验验证的方法得出该模型的可行性。为相关航空薄壁件的铣削变形问题提出了可行性的解决方案，具有实际指导意义。