航空薄壁件三維銑削過程的有限元仿真*

辛順強 葉海潮 王聰康

（南昌航空大學航空與機械工程學院，江西 南昌 330063）

航空薄壁件三維銑削過程的有限元仿真*

辛順強 葉海潮 王聰康

（南昌航空大學航空與機械工程學院，江西 南昌 330063）

銑削加工中銑削力是導(dǎo)致加工變形的直接原因，而航空薄壁件加工中，加工變形是加工誤差產(chǎn)生的主要因素。通過有限元法對航空薄壁件的銑削過程進行三維仿真模擬，揭示了切削深度、切削速度以及摩擦因素對切削力的影響。

有限元法 薄壁件 銑削 切削力

航空薄壁件因其特有的強度高、重量輕、具有高承載性等特點，越來越多地在航空工業(yè)中得到應(yīng)用，特別是在要求降低自身重量又不失強度、剛度的大型飛機制造中得到很好的應(yīng)用[1]。但是薄壁零件剛性差，強度弱，在加工中極易變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。銑削加工作為加工整體梁、框、肋等形狀復(fù)雜、大尺寸、弱剛度薄壁構(gòu)件最為典型的方法在航空制造中被廣泛采用。

目前針對切削加工的有限元仿真模擬一般都集中在二維正交切削上[2～6]，而針對實際的三維銑削過程模擬研究的很少。為了能夠真實地反映銑削加工過程，筆者采用有限元軟件ABAQUS建立銑削加工的有限元三維模型，獲得了銑削力，并分析了銑削力隨切削深度、切削速度變化的規(guī)律，同時研究了摩擦因素對切削力的影響。

1 有限元模型

1.1 材料模型

ABAQUS默認的塑性材料特性應(yīng)用金屬材料的經(jīng)典塑性理論，采用Miss屈服面來定義各項屈服。金屬材料彈塑性變形行為可以簡述如下：在小應(yīng)變時，材料性質(zhì)基本為線彈性，彈性模量E為常數(shù)；應(yīng)力超過屈服應(yīng)力（yield stress）后，剛度會顯著下降，此時材料的應(yīng)變包括塑性應(yīng)變（plastic strain）和彈性應(yīng)變（elastic strain）兩部分；在卸載后，彈性應(yīng)變消失，而塑性應(yīng)變是不可恢復(fù)的；如果再次加載，材料的屈服應(yīng)力會提高，即所謂的加工硬化（work hardening）。

在單向拉伸/壓縮實驗中得到的數(shù)據(jù)通常以名義應(yīng)變εnom和名義應(yīng)力σnom表示，其計算公式為

式中，Δl為試樣的長度變化量；l0為試樣的初始長度；F為載荷；A0為試樣的初始截面面積。

為了準確地描述大變形過程中截面面積的改變，需要使用真實應(yīng)變εture（又稱對數(shù)應(yīng)變）和真實應(yīng)力σture，它們與名義應(yīng)變εnom和名義應(yīng)力σnom之間的換算公式為

式中：l為試樣的當前長度；A為試樣的當前截面積。

真實應(yīng)變εture是由塑性應(yīng)變εpl和彈性應(yīng)變εel兩部分構(gòu)成。在ABAQUS中定義塑性材料參數(shù)時，需要使用塑性應(yīng)變εpl，其表達式為

1.2 銑削模型的建立

通用有限元軟件ABAQUS具有強大的線性和非線性求解能力，本文主要是利用其動力、顯式分析模塊。

從宏觀上講，銑削加工是一個斷續(xù)切削過程，其切削力作用點時刻在變化著。但從微觀角度出發(fā)，將銑削刃劃分為微段銑削刃，如圖1所示，對每一微段銑削刃的切削過程都可以看作基本的正交切削或斜角切削過程進行分析。

對銑削加工過程整體進行有限元模擬仿真，由于銑刀形狀復(fù)雜，需要劃分非常細小的網(wǎng)格，同時工件比較大，導(dǎo)致計算量非常大。加之實驗室工作站計算速度有限，所以本文取銑削加工的一個微元段做斜角切削過程模擬分析。

本文將銑削模型簡化為直角切削模型。工件尺寸為10 mm×3 mm×2 mm，工件網(wǎng)格尺寸為0.1 mm。單元選取C3D8R。刀具單元選取為三角形單元，網(wǎng)格尺寸為0.51 mm。通過有限元軟件建立的有限元銑削模型如圖2所示。

2 切削加工過程模擬

本文中刀具設(shè)置為剛體，不考慮刀具在切削過程中的變形。工件材料為航空材料7075鋁合金，彈性模量（E）與泊松比（T）分別為70 GPa和0.33，刀具設(shè)定為剛體，以減小計算量。模擬分析過程，將切削速度設(shè)定為恒定，依次增加切削深度；然后將切削深度設(shè)定為恒定，依次增加切削速度。分別取出各種參數(shù)下的最大切削力，進行數(shù)據(jù)比較。具體模擬過程，如圖3所示。

3 仿真結(jié)果及分析

通過設(shè)定邊界條件的方法設(shè)定刀具的線速度分別為10、15、20、25、30、35 m/s，在這6種切削速度的條件下，又分別模擬當切削深度為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm時的切削加工過程。共進行36次模擬計算，分析切削力。

圖4為切削線速度30 m/s、切削厚度0.5 mm條件下，不考慮摩擦因素，各方向切削力隨切削進程的時間變化曲線。可以認為切削力是刀具前刀面和切屑、后刀面與已加工表面的應(yīng)力的合力在加工方向上的分力。因為切削路徑方向平行于X軸，X方向的切削分力最大且與切削合力相差很小，所以本文采用X軸上力的最大值來表現(xiàn)切削力。從圖4也可以清楚地看到，X軸方向的切削力與切削合力最為接近。

圖5為切削線速度30 m/s、切削厚度為0.5 mm條件下，考慮摩擦因素，各方向切削力隨切削進程的時間變化的曲線。通過比較兩組圖片可以看出，當考慮摩擦因素時，刀具運動的主方向上的切削力是增大的，而其他兩個方向的切削分力明顯減小。切削合力略有增大。

從兩幅圖的比較可以看出Z方向的切削分力受摩擦力的影響很明顯，Z方向的摩擦分力縮小了1/2多，而且當切屑斷裂的時刻，摩擦力波動劇烈。從這個側(cè)面也說明了切削加工過程中，振動主要是由于摩擦以及切屑斷裂等因素導(dǎo)致的。

圖6為在不同的切削速度條件下，切削力隨切削深度變化的曲線。圖7為在不同的切削深度條件下，切削力隨切削速度變化的曲線。

從圖6可以看到，在不同切削速度條件下，切削力都是隨著切削深度的增加而增大的。這主要是因為，切削深度的增大，直接使得切削面積的變大，在相同切削狀態(tài)下，刀具所受力相應(yīng)也就變大。不過在切削深度增加的同時，整體變形系數(shù)和摩擦系數(shù)會降低。但是總體上說，減小量不如增加量來的多，所以切削力隨之增大。

從圖7也可以看到，切削力是隨著切削速度的增大而減小的。這是因為隨著切削速度的提高，刀具表面和切屑之間的流動速度大大提高，大部分的熱量被切屑迅速帶走，使刀具表面散熱條件得到改善，同時切削力也隨切削速度上升而減小，摩擦生熱也被減弱，切削溫度得到下降。

4 結(jié)語

采用有限元法對航空薄壁件三維銑削過程進行了模擬，分析了摩擦因素對切削力的影響。獲得了切削力隨切削深度及切削速度變化的規(guī)律曲線。分析可知從刀具切入到切出，切削力不停地波動，切削力先增大后減小，當切屑斷裂時，Z方向的切削力波動劇烈。隨著切削深度的增加切削力增大，隨著切削速度的增大切削力減小。

[1]胡志明，王仲奇，吳建軍，等.航空薄壁件銑削加工銑削力預(yù)測方法研究[J].機床與液壓，2008，36（3）：14-12.

[2]路冬，李劍峰，融亦鳴，等.航空鋁合金7075-T745三維銑削過程的有限元仿真[J].中國機械工程，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，F(xiàn)racture characteristics of three metals subjected to various strains，strain rates，temperatures and pressures，Engrg.Fracture Mech.1985，21（l）：31-48.

[6]蔣志濤，劉泓濱，王飛，等.ABAQUS的高速銑削二維仿真分析[J].現(xiàn)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

* 航空科學基金項目（2006ZE56006）；江西省教育廳科學技術(shù)研究基金項目（2007-172）；南昌航空大學研究生創(chuàng)新基金資助項目（YC2008028）

辛順強，男，1983年生，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，已發(fā)表論文1篇。

（編輯 余 捷） （

2009-09-25）

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