2124鋁合金桁梁薄壁件銑削變形仿真優(yōu)化

龔智鵬，蘇宏華，何臨江

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空航天、船舶、汽車(chē)中有著廣泛的應(yīng)用。由于鋁合金結(jié)構(gòu)件多薄壁結(jié)構(gòu)，超過(guò)95%的毛坯料都將被銑削切除，在殘余應(yīng)力的作用下零件很容易發(fā)生整體的彎曲及翹曲變形，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)薄壁件加工變形開(kāi)展了一系列的研究工作。Ratchev[1-3]等人將加工過(guò)程中工件的變形轉(zhuǎn)變?yōu)榍腥虢恰⑶谐鼋堑淖兓⒔⒘讼鄳?yīng)的彈性讓刀變形誤差預(yù)測(cè)模型；Shane P.Siebenaler[4]等人使用仿真分析方法，通過(guò)調(diào)整裝夾支撐點(diǎn)的位置，對(duì)比幾種不同的裝夾條件下零件的加工變形，試驗(yàn)預(yù)測(cè)了裝夾反力，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了修正；J.Tlusty[5-6]等人提出通過(guò)利用零件的未加工部分來(lái)提高工件的整體剛度，從而優(yōu)化刀具的加工路徑；黃志剛[7-8]等人在考慮毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的前提下，探究了銑削加工順序?qū)蝾?lèi)薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的影響；王運(yùn)巧、梅中義等[9-10]學(xué)者在綜合考慮工件初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削力、裝夾等因素的前提下，以薄壁圓弧形結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建數(shù)值仿真模型，探究零件在殘余應(yīng)力的作用下的加工變形規(guī)律。

現(xiàn)以2124鋁合金桁梁薄壁件為研究對(duì)象，建立了銑削仿真有限元模型，基于殘余應(yīng)力對(duì)整體變形的影響，優(yōu)化裝夾方案和特征結(jié)構(gòu)的加工順序，有效控制了結(jié)構(gòu)件的加工變形。

1 有限元仿真模型構(gòu)建

1.1 幾何模型

零件模型如圖1所示，結(jié)構(gòu)件全長(zhǎng)4 200mm，腹板厚度為1.5mm，側(cè)壁厚度為2mm。

圖1 零件模型

1.2 材料屬性

2124鋁合金為鋁-銅-鎂系硬鋁合金，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高、機(jī)械加工性能優(yōu)良，材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，材料物理性能參數(shù)如表2所示。

表1 2124鋁合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) (%)

表2 2124鋁合金材料模型參數(shù)

1.3 毛坯殘余應(yīng)力

利用盲孔法測(cè)得預(yù)拉伸板毛坯表面的殘余應(yīng)力為13 MPa，并根據(jù)力平衡、力矩平衡的原則，計(jì)算出毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力值，毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力服從”M”規(guī)律分布，并將毛坯的殘余應(yīng)力加載到Abaqus仿真模型中，殘余應(yīng)力的分布如圖2所示。

圖2 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力

2 裝夾方案仿真及優(yōu)化

由于桁梁薄壁件具有長(zhǎng)徑比大、局部剛度差、材料去除率高等特點(diǎn)，工件在加工完成后內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)釋放和重新分布，極易出現(xiàn)大的翹曲變形。研究表明[4,9]，不同的裝夾方案對(duì)工件內(nèi)殘余應(yīng)力分布的影響有著很大的差別，選擇合理的裝夾方案，可以有效地控制桁梁薄壁件的整體變形。

2.1 初始裝夾方案

依據(jù)桁梁薄壁件的外形，在毛坯上加工出多個(gè)定位工藝凸臺(tái)和壓緊工藝凸臺(tái)，在工裝上對(duì)應(yīng)加工定位孔和壓緊孔，實(shí)現(xiàn)一次裝夾，刀具將整個(gè)外形加工到位。

桁梁尾部為空槽結(jié)構(gòu)，考慮到裝夾的穩(wěn)定性，在該處設(shè)立砌型模塊，同時(shí)在零件尾部余量工藝壓邊進(jìn)行裝夾，如圖3所示。

圖3 桁梁尾部裝夾方案

桁梁頭部有翹起角度，為控制加工變形，該處需要特殊裝夾，根據(jù)零件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)V形墊塊，再輔以壓板裝夾，如圖4所示。

圖4 桁梁頭部裝夾方案

由于桁梁長(zhǎng)度尺寸較大，加工后中間部位極易產(chǎn)生變形，因此需對(duì)中部進(jìn)行多處裝夾，但若中部的工藝凸臺(tái)數(shù)量過(guò)多，亦會(huì)增加凸臺(tái)的加工切除時(shí)間，并且在切除工藝凸臺(tái)后使得已加工完成的零件的殘余應(yīng)力二次釋放，造成零件二次變形。綜合考慮上述原因，初始裝夾方案除了裝夾桁梁頭尾，在桁梁中段有側(cè)壁的位置也進(jìn)行裝夾，如圖5所示。

圖5 初始裝夾方案

2.2 裝夾仿真分析

分別在毛坯的頭部、尾部以及中間部位選取的若干結(jié)點(diǎn)集，對(duì)其自由度進(jìn)行約束，模擬初始裝夾方案，如圖6所示。

圖6 模擬初始裝夾方案

在Abaqus中設(shè)置“單元生死”來(lái)模擬桁梁薄壁件的加工過(guò)程，仿真結(jié)果變形云圖如圖7所示。隨著材料的逐漸去除和毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力的逐步釋放，工件在加工過(guò)程中出現(xiàn)彎曲和扭曲變形，圖中深色區(qū)域?yàn)樽畲笞冃翁帲畲笞冃螢?.603 mm。

圖7 裝夾仿真變形云圖

根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化初始裝夾方案，在上述結(jié)果中工件變形最大的區(qū)域增加夾具支撐，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化裝夾方式

圖9為優(yōu)化后的裝夾條件下加工仿真變形結(jié)果云圖，隨著工件材料的逐漸去除和內(nèi)部殘余應(yīng)力的逐步釋放，易變形區(qū)域移到圖中深色區(qū)域所示位置，最大變形為0.625mm。

圖9 裝夾仿真變形云圖

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，在最大變形區(qū)域增加支撐和夾具，對(duì)裝夾條件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，裝夾方式如圖10所示。

圖10 進(jìn)一步優(yōu)化裝夾方式

圖11為優(yōu)化后的裝夾方案仿真變形結(jié)果云圖，圖中深色區(qū)域?yàn)樽钜鬃冃螀^(qū)域，最大變形為0.484mm。

圖11 裝夾仿真變形結(jié)果云圖

桁梁研究對(duì)象長(zhǎng)徑比大，初始裝夾方案條件下的加工變形為1.603mm，經(jīng)過(guò)對(duì)裝夾方案的仿真分析及優(yōu)化后，最終的裝夾方案如圖12所示，此時(shí)加工變形0.484mm。因此，通過(guò)仿真優(yōu)化裝夾方案，可以大幅度地減小加工變形。

圖12 桁梁裝夾方案優(yōu)化結(jié)果示意

3 加工順序仿真及優(yōu)選

桁梁薄壁件由多個(gè)框組成，在實(shí)際的切削加工時(shí)，隨著材料的去除，零件的剛度是不斷變化的。加工完成后，隨著裝夾系統(tǒng)的卸載，工件會(huì)在殘余應(yīng)力的重新分布下發(fā)生新的變形。由于加工順序的不同，零件的整體剛度變化及殘余應(yīng)力釋放的方式不同，在加工過(guò)程中產(chǎn)生的整體變形也就不同，因此可以確定隔框加工順序的先后對(duì)零件加工變形有很大的影響。

3.1 加工順序方案

仿真試驗(yàn)針對(duì)桁梁薄壁件的特點(diǎn)，對(duì)其典型結(jié)構(gòu)特征(隔框)進(jìn)行離散化編號(hào)，并根據(jù)編號(hào)設(shè)定不同的加工順序，即正向銑削加工走刀、反向銑削加工走刀、對(duì)稱(chēng)內(nèi)向銑削加工走刀以及對(duì)稱(chēng)外向銑削加工走刀4種，如圖13所示。

圖13 桁梁薄壁件的不同加工順序

3.2 加工順序仿真分析

在上述優(yōu)化的裝夾方案基礎(chǔ)上，通過(guò)在Abaqus中設(shè)置“單元生死”，模擬桁梁薄壁件按照上述不同加工順序的加工過(guò)程，結(jié)構(gòu)件的仿真分析變形云圖如圖14-圖17所示，圖中深色區(qū)域?yàn)榱慵冃巫畲筇帲畲笞冃瘟咳绫?所示。

圖14 正向銑削加工變形云圖

圖15 反向銑削加工變形云圖

圖16對(duì)稱(chēng)內(nèi)向銑削加工變形云圖

圖17 對(duì)稱(chēng)外向銑削加工變形云圖

根據(jù)表3，對(duì)比不同加工順序的變形結(jié)果，可得：反向銑削加工和對(duì)稱(chēng)內(nèi)向銑削加工的變形量較大，分別為0.665 mm和0.620 mm，正向銑削加工和對(duì)稱(chēng)外向銑削加工的變形量較小，分別為0.485 mm和0.481 mm。其原因主要為：對(duì)稱(chēng)外向銑削加工是從工件的中部開(kāi)始加工的，由于工件長(zhǎng)度較大，其中部的剛度則較弱。由中部向兩側(cè)加工，可在零件整體剛度較好的時(shí)候優(yōu)先加工其剛度較弱部位，進(jìn)而獲得較小的加工變形。同時(shí)由于對(duì)稱(chēng)加工，殘余應(yīng)力的釋放也是相對(duì)對(duì)稱(chēng)的，因此由殘余應(yīng)力重分布造成的變形也就更小。

表3 不同加工順序最大變形量對(duì)比

由上分析可知，不同加工順序造成的零件變形的位置及形式基本一致，但其變形量存在較大差異。4種加工順序的最大加工變形量(反向銑削加工)為0.665mm，最小加工變形量(對(duì)稱(chēng)外向銑削加工)為0.481mm，減小了27.7%，故桁梁薄壁件采用對(duì)稱(chēng)外向銑削加工順序。

4 零件加工

按照優(yōu)化后的裝夾方案及槽框加工順序加工，在高速數(shù)控加工中心上進(jìn)行了實(shí)際結(jié)構(gòu)件的銑削加工，加工實(shí)物如圖18所示。

圖18 桁梁薄壁件加工實(shí)物

采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量得到薄壁件最大翹曲變形量為0.414mm，與模擬結(jié)果之間的偏差約13.9%，考慮到數(shù)值模擬仿真時(shí)的簡(jiǎn)化、毛坯真實(shí)初始?xì)堄鄳?yīng)力的誤差以及未考慮切削載荷的影響，認(rèn)為仿真結(jié)果是可以接受的，能夠滿(mǎn)足大型薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形仿真預(yù)測(cè)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)2124鋁合金桁梁薄壁件，基于Abaqus有限元仿真分析，建立了桁梁薄壁件銑削加工的有限元仿真模型，研究分析裝夾方案和加工順序?qū)α慵w變形的影響，使零件的加工變形量由初始裝夾下的1.603 mm減小到優(yōu)化后的0.484 mm，減小了69.8%。并以?xún)?yōu)化的裝夾條件為前提，對(duì)不同的加工順序產(chǎn)生的變形量，優(yōu)選加工順序?yàn)閷?duì)稱(chēng)外向銑削加工，加工變形量為0.481 mm。最后通過(guò)銑削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最大翹曲變形量為0.414 mm，與仿真結(jié)果相差約13.9%，在誤差允許的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有限元仿真優(yōu)化的方法能夠滿(mǎn)足大型薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形控制的要求。

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