典型航空結構件數控加工夾具設計及仿真研究

文華，王玲，趙宇晨，朱冬，殷國富

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典型航空結構件數控加工夾具設計及仿真研究

文華，王玲*，趙宇晨，朱冬，殷國富

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

針對航空結構件中大型長桁零件薄壁部分易變形難加工的特點，對其進行了數控加工工藝規程的制定以及工裝夾具系統的設計。為了提升長桁零件的動態性能，利用有限元分析軟件對長桁零件進行了模態分析和諧響應分析，獲取其固有頻率、發生共振的頻率以及共振的幅值，并預測零件的變形情況。研究結果表明：長桁零件的加工方案存在改進的空間，可根據相關分析結果優化其銑削參數，改進加工方案，進一步提升長桁零件表面的加工質量。

變形；加工工藝；夾具系統；銑削參數

由于大型長桁類零件截面大多呈“工”字形或“上”字形結構，壁厚尺寸變化大，且不等厚，常采用大角度多面加工；又由于零件截面尺寸變化較大，材料去除不均勻，加之細長條結構，導致難以控制變形，給裝夾穩定性、尺寸協調性都帶來極大困難；此外，長桁類零件外形多為復雜曲面，零件裝夾時沒有可靠的基準面，也無法吸附，給裝夾設計帶來了極大挑戰。

航空飛機結構的薄壁化是是飛機輕量化的關鍵技術問題，針對薄壁零件的銑削加工，學者們做了大量的理論和實驗研究。田慶[1]等基于汽車制造業中鋁合金薄壁部件的加工問題，建立了薄壁件在銑削加工過程中的銑削力模型并進行了仿真分析研究；汪通悅[2]等研究了薄壁零件的振動原理，結合實驗研究，提出了控制薄壁零件在加工過程中的振動的方法；鄭偉[3]等針對航空薄壁結構在加工中易變形問題，分析了切削力、切削熱引起的殘余應力對工件變形的影響，利用有限元軟件對薄壁件進行仿真分析。

本文為了合理選用大型長桁零件的銑削參數并保證工裝夾具系統的穩定性，利用有限元分析軟件ANSYS對大型長桁零件進行了動態特性分析，進一步預測了零件的變形情況，并根據分析結果優化切削用量參數，改進加工方案，指導生產實際。

1 長桁零件工裝夾具系統的結構

在充分研究現有加工工藝的基礎之上，針對一種典型長桁類零件的主要加工工序，基于夾具設計的相關原理，設計了一套工裝夾具系統，如圖1所示。為了獲得長桁零件的最終結構，先在型材上加工出工藝孔和工藝凸臺用于零件的定位和夾緊，完成所有加工工序后將工藝凸臺切除以獲得所需零件。此夾具系統的定位方案屬于典型的“1－2－3”定位，通過支撐板上表面約束長桁零件3個方向的自由度，通過一側的單個頂緊支座限制長桁零件1個方向的自由度，通過另一側5個頂緊支座限制長桁零件2個方向的自由度，從而實現長桁零件的6點定位。最后通過另外兩側的頂緊支座施加夾緊力實現長桁零件的夾緊。

2 長桁類零件的動態性能分析

為了更好控制長桁零件在加工過程中的變形，選擇更加合理的切削用量參數，需要對長桁零件進行動態特性仿真分析。通過模態分析和諧響應分析，獲取長桁零件的固有頻率、發生共振的頻率以及共振的幅值，預測零件的變形情況，根據分析結果優化切削用量參數，用于指導生產實際。

圖1 長桁零件的裝夾系統

2.1 長桁零件的模態分析

2.1.1 長桁零件有限元模型的建立

長桁零件的固有頻率只與其質量和剛度的分布有關，所以在進行有限元建模時可忽略了其模型上的小孔以及圓角等結構的影響。在建模軟件UG中進行模型的簡化處理，然后將其導入到有限元仿真軟件ANSYS Workbench中，為了保證計算的正確性，采用較高精度的網格劃分，得到長桁零件的有限元模型如圖2所示。

圖2 長桁零件的有限元模型

2.1.2 模態分析及結果

由于模態分析的各階次模態振型下的固有頻率都有可能會引起長桁類零件發生共振等形式的破壞，因此將模態分析的階次將擴展到十階。對長桁類零件的底面施加固定約束，零件的材料選用鋁合金材料，其相關參數如表1所示，經過有限元軟件的分析計算可得長桁類零件各階模態下的固有頻率如表2所示。

表1 鋁合金的性能參數

表2 長桁零件各階模態下的固有頻率

由表2可知：長桁零件的固有頻率隨著模態振型階次的升高逐漸增加。這是由于模態階次的提高，高階振動的節點數會變多，激發長桁零件高階振動的載荷的能量逐漸減弱，所以高階振動的激發愈發困難。因此長桁零件在第一階模態振型處的固有頻率最小。此外，長桁零件在低階次模態下，相鄰兩模態階次的固有頻率之差很小，容易發生共振破壞現象，此外由于長桁零件的裝夾系統所使用的加工中心的主軸轉速范圍為：20～8000 r/min，由此可知主軸頻率范圍小于134 Hz，如選用的刀具刃口數較多，則加工的激振頻率在長桁零件的固有頻率范圍之內，極易發生共振現象，使長桁零件發生振動，影響工件的質量。因此，需選用合理的切削用量參數，避免共振現象的發生。

2.2 諧響應分析

2.2.1 振動方程的建立

長桁零件在簡諧載荷作用下的振動方程為：

假設位移方程為：

式中：{}為幅值向量；為相位角。

通過聯立式（1）和式（2）可知：這個方程沒有解析解，只能通過有限元方法進行求解。

2.2.2 諧響應分析及結果

在模態分析的基礎之上，使用完全模態法在有限元仿真軟件ANSYS Workbench中對長桁零件進行諧響應分析，通過設定激振力頻率的范圍以及頻率間隔，得到長桁零件薄壁部分的位移與頻率的曲線，從而可知曲線的峰值頻率即發生共振的頻率。由表2可知，長桁零件的固有頻率范圍為（680.70～1113.30 Hz），而在進行有限元分析計算時，激振頻率的最大值應該比模態計算出來的最大值（即第十階自振頻率）小1.5倍，因此輸入諧響應最大頻段為1113.30/1.5＝742.20，取742即可。取長桁零件中間的薄壁面（平面）進行分析，通過諧響應分析計算得到待薄壁面隨激振頻率的變化曲線。長桁零件薄壁面沿方向的位移－頻率曲線如圖3所示，其主要激振頻率點的位移如表3所示。

圖3 Y方向的位移－頻率曲線

表3 主要激振頻率點的位移

由圖3和表3可知，在激振力頻率等于680 Hz附件時，長桁零件發生共振破壞現象，其位移為0.041773 mm，對應長桁零件的一階固有模態頻率，即當激振力頻率接近長桁零件的一階固有頻率時，發生共振現象，說明諧響應分析的共振頻率存在于模態分析的固有頻率之中。因此，在進行長桁零件的銑削加工時，應選擇合理的切削用量參數或選用剛度較大的材料，使激振力的頻率遠離其固有頻率，避免共振的發生。

3 結論

本文針對一種典型長桁零件在加工過程中易變形難加工的特點，設計了一套裝夾系統進行銑削加工。利用有限元分析軟件對長桁類零件進行了模態分析和諧響應，通過分析得到了長桁零件的固有頻率范圍發生共振的頻率以及薄壁部分的位移頻率曲線。分析結果表明：機床刀具的激振力的頻率在長桁零件的固有頻率的范圍之內，在設計加工工藝時，應合理選用切削用量參數，避免共振破壞現象，進一步提升長桁零件的加工質量。此外，針對薄壁零件的加工提出了以下幾點改進意見：

（1）根據實際需要選用剛度較好的材料，使激振的頻率遠離長桁零件的固有頻率，避免共振的發生；

（2）避免零件大面積加工的設計；

（3）在不影響零件加工的前提下，設計出加強筋和加強肋板，以提升零件的剛度特性；

（4）設計出裝夾所用的工藝孔和工藝凸臺，在并加工完成后去除。

[1]許進峰. ANSYS Workbench15.0完全自學一本通[M]. 北京：電子工業出版社，2014：180-228.

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[3]田慶. 鋁合金薄壁零件銑削加工仿真分析與試驗研究[D]. 上海：上海交通大學，2014.

[4]王金鳳. 薄壁鋁合金件的高速切削工藝研究[J]. 制造技術與機床，2006（10）：21-24.

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[7]鄭偉. 薄壁零件數控加工的有限元分析[D]. 陜西：西安工業大學，2015.

[8]汪通悅. 薄壁零件銑削穩定性數值仿真及實驗研究[D]. 江蘇：南京航空航天大學，2010.

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Design and Simulation of NC Machining Fixture for Typical Aviation Structural Parts

WEN Hua，WANG Ling，ZHAO Yuchen，ZHU Dong，YIN Guofu

( School of Manufacturing Science & Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China )

The thin-walled parts of large long truss of thetypical aviation structural parts are easy to deform and difficult to process. The process specification is developed for NC machining and design of the jig and fixture system. The paper analyzes the long truss modal and harmonic response with finite element analysis software in order to enhance the dynamic performance of truss parts. Natural frequency, resonance frequency and resonance amplitude is obtained and prediction of the parts deformation is achieved. The research results show that the machining scheme of the long truss parts can be improved, the milling parameters could be optimized according to the relevant analysis results, and the modified processing scheme can further improve the machining quality of the long truss parts.

deformation；machining process；fixture system；milling parameters

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.007

1006－0316 (2018) 06－0043－04

2017－10－10

智能制造綜合標準化與新模式應用項目和四川省科技計劃項目（2015GZ0008）

文華（1992－），男，四川宜賓人，碩士研究生，主要研究方向為產品數字化設計與制造。

王玲（1971－），女，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向產品數字化設計與制造；殷國富（1956－），男，四川西充人，教授，博士生導師，主要研究方向為產品數字化設計與制造。