鋁合金薄壁構件數控加工有限元分析

于春濤 劉國平

（江南計算技術研究所，江蘇 無錫，214083）

0 引言

輕質合金材料是推進我國國防裝備體系及航空航天產業實現性能優、可靠性高和成本低廉的基石。從上世紀八十年代開始，隨著我國高新技術的崛起和國防裝備工業的快速崛起，對當下流行的輕量合金材料的加工性能和生產工藝的要求進一步提高，隨之也拓展出新的發展前景。尤其是鋁合金材料在航空航天、船舶、核工業及兵器工業等領域有著廣泛的應用背景及不可替代的地位，因此鋁合金的加工技術已然成為制約國防技術進步的主導因素[1]。本文主要根據航空薄壁構件異構特點和諸多實際生產經驗通過有限元分析方法進一步總結薄壁構件切削加工難點，概述此類零件加工變形控制方法。

圖1 某航空薄壁構件

內部殘余應力、夾緊力及切削力彼此綜合作用是造成薄壁構件變形的主要成因。特別針對于薄壁框架類零件，工件本身屬超高面厚比零件且銑削表面時銑刀常處于滿刃切削狀態，零件整體材料去除率大，所以上述因素導致加工變形的效果更為明顯。本文在研究基材內部應力狀態和圓柱立銑刀銑削仿真的支撐下，展開對特定薄壁構件的切削加工過程有限元模擬，以此來了解工件成型過程中動態變形情況，并分析其規律，掌握薄壁構件數控加工變形成因。

圖2 所設計工件的幾何模型

1 幾何建模

本文主要對某航空電子機箱部件產品作為原型研究對象，如圖1所示為其組件之一系典型的薄壁框架類構件，其形貌特點為板面尺寸較為規整，總體高度與長（寬）尺寸之比小于1:10屬超高面厚比零件，其內部有矩形盲腔和通腔結構。

本文對其結構進行簡化以便于后續仿真計算，設定工件總厚度為4（mm）、長100（mm）、寬50(mm)、1處46×46（mm）深2（mm）矩形盲腔及1處46×46（mm）矩形通腔。

圖3 X方向應力狀態

2 銑削加工過程的有限元仿真

2.1 材料初始應力的施加

影響薄壁構件加工變形的主要因素之一就是工件毛坯的初始應力分布狀態，所以在進行整體加工模擬仿真之前要將其毛坯初始應力值附加到三維有限元模型上。將鋁合金預拉伸板材殘余應力數值施加到工件預加工毛坯模型中，遂得到兩個方向的應力狀態云圖。如圖3所示為毛坯X方向的應力狀態。

圖4 在仿真模型上附加邊界條件

2.2 有限元仿真流程

首先以工件底面為主基準面，并附加對該面空間六個自由度進行限制；再者將工件與夾具接觸面視為次基準面，對該面Y方向的平面移動和X、Z的空間轉動自由度進行限制；最后將夾緊力1250N按其實際作用面積轉換為壓強施加到次基準面上。

如下圖4所示為在仿真模型上附加邊界條件約束后的狀態，其中設定一對同型刀具適宜兩處腔體的模擬。

有限元仿真按照工件具體工藝流程進行，仿真流程如圖5所示。

圖5 整個仿真模擬過程示意圖

圖6 完成粗加工后瞬時應力狀態

圖7 完成粗加工后應力平衡狀態

圖8 工步1加工完成后的變形狀態

圖9 工步2加工完成后的變形狀態

圖10 最終零件加工變形狀態直觀圖

2.3 仿真結果分析

2.3.1 工件各工步應力狀態

在完成1工步的加工后工件整體應力分布狀態如圖6所示，薄壁構件剛加工后其內部應力情況暫處于不平衡狀態，在進行有限元模擬分析時采用的求解器是動態的，雖能夠精確仿真出工件完整切削加工過程，然而所體現出的應力變化狀態只局限于人為設定的時間區間內，而并未將工件整體應力狀態是否達到平衡作為初始條件。因此可由圖6所示，工件內部仍存在較高的應力數值。

綜上問題，在此基礎上尚需對薄壁構件進行應力平衡狀態下的計算，將仿真之初的模型所有約束的邊界條件移除，進行特定的結構靜力學分析，獲取工件最終的加工變形狀態。運用靜力學分析就忽略了時間疊加周期而直接求解工件最終狀態的變形情況，如圖7所示較之前者工件應力顯著降低。

2.3.2 仿真結果分析

工件粗加工完成后變形情況如圖8可見，為使直觀變形明顯，對其變形效果放大30倍。工件整體沿對角線方向產生翹曲變形，是翹曲和扭轉變形共同作用的結果，從中可知工件最終變形量σmax為0.2752mm。

工件精加工完成后變形情況如圖9可見，較之工步1而言變形更為復雜，并無直觀規則性變化，工件整體發生變形的最大和最小極端值均處于盲腔周邊，可見最終變形量σmax為0.1745mm。對于通腔端而言其變形情況更無規則性變化，由于材料去除量大，自身剛度低，所產生變形時各因素耦合的結果。

3 加工實驗及驗證

3.1 薄壁構件的加工工藝

圖11 樣件毛坯示意圖

圖12 工件粗加工示意圖

為保證本次實驗的有效性，據相關文獻資料[2]，薄壁構件坯料取材時從原始板材中性面區域內截取可最大限度的降低殘余應力對后續的加工變形影響，此種取材方式常用于薄壁構件毛坯取材過程中。本次實驗遵循上述取材原則從坯料中心部位截取一定厚度基材，樣件毛坯示意圖如圖11所示。

在上述取材步驟的基礎上，對坯料進行粗加工，對稱去除兩側余量以保證最終工件外形尺寸，采用虎鉗裝夾方式在萬能升降臺銑床三刃圓盤銑刀進行銑削，采用雙面對稱加工方式去除厚度余量，具體示意圖見圖12。為使工件變形達到最優狀態，去除過程中加工應力影響，每次銑削去除余量必須控制在0.5（mm）以內，并采用高速銑削方式[3]。

由于裝夾特點直接影響薄壁構件最終的加工質量，針對該類工件的結構特點，工件形狀較為規整，且具有一定的厚度，故采用虎鉗裝夾方式進行加工。以已加工表面為基準，用扳手在夾具上施加約5N·m的扭矩，樣件的裝夾方式如圖13所示。

通用初始夾緊力計算公式為：

式中：

根據上式可計算得出夾具作用在工件上的夾持力約為1250N。

在制定加工工件腔體工藝過程中，為準確驗證實際加工參數及走刀路徑的正確性。事前采用UG后置處理加工模擬程序在實際生產用B300立式加工中心上進行整個加工過程模擬，各項參數確定后再付諸實際生產。加工模擬示意圖見圖14。在薄壁構件實際加工過程中，根據工件結構特點，兩個腔體加工分兩個工步進行，采用環形走刀路徑銑削，其加工過程如圖15所示，走刀軌跡及銑削用量分別見圖16、17及表1所示。

圖13 樣件的裝夾方式

圖15 腔體加工過程示意圖

圖14 加工過程模擬示意圖

圖16 在UG平臺上模擬加工薄壁件走刀路徑

3.2 加工變形的三坐標檢測

根據工件的形貌特點制定相應的三坐標檢驗策略，為使測量數據可較完整地表征出工件的變形情況。我們按照下圖18所示已選定的測量方位對工件最終成型后的變形情況開展測量評估工作，并對各檢測要素通過統籌編碼以便識別，具體測量數據如圖19所示。

根據上述測量結果可獲取工件在各工步加工后的整體變形趨勢，在完成1工步粗加工后工件的變形情況如圖20所示，其最大變形量為0.3221（mm）；在完成2工步精加工后工件變形情況如圖21所示，其最大變形量為0.1908（mm）。

從總體趨勢上來看，在完成各工步后工件均產生了一定的變形。由于工件在粗加工過程中材料去除量較小，剩余部分整體剛度較大，故產生了扭轉和翹曲耦合的變形結果。隨著加工的持續進行，零件整體剛度銳減，故導致伴隨加工的持續進行材料的去除和工件逐漸減小的剛度，以及所造成的不均勻的效果越顯著的內部應力，因此變形狀態呈現出更加不規則畸變，縱觀整體變形狀態呈起伏趨勢。兩工步比對觀察，通腔一端較之盲腔一端變形較為明顯，因為通腔部分剛度比盲腔部分低，在材料去除過程中內部應力與切削力耦合作用效果更為明顯。但由上述表格數據可知，工步2最終產生的變形量（0.1908mm）要小于工步1最終產生的變形量（0.3221mm）。此項事實說明了完成工步2后工件的內部應力釋放的較為充分，現存于工件內的應力明顯減小，使得工步1中所產生的變形得以定量回復，但直觀可見后者變形情況較之前者更為復雜。

圖17 各工步走刀路徑

表1 腔體加工銑削參數

圖18 三坐標測量機所測實際點位

圖20 完成工步1后的實測結果圖21完成工步2后的實測結果

提取相應有限元計算節點位置數據，并與實際測量值進行比對。如圖22所示兩者具有很好的一致性。

圖22完成工步1后的模擬結果與實測結果比較

圖19 三坐標測量機所測各點坐標值

圖20 完成工步1后的實測結果

圖21 完成工步2后的實測結果

圖22 完成工步1后的模擬結果與實測結果比較

圖23 完成工步2后的模擬結果與實測結果比較

遵循前法，提取模擬仿真中與三坐標實驗測量點位相一致的變形量數據，并與之兩者比對，所得結果如圖23所示。可見工件兩端角處仿真數值與實驗數值相差較大，但縱觀工件整體變形趨勢基本一致，能夠表征出工件加工變形的復雜狀態，可視為仿真結果具有可信性。

4 總結

本文選定工件尺寸特性并制定相應的加工工藝流程，依照特定實驗工件參數建立了有限元仿真模型，獲取工件毛坯內部初始應力狀態，并分析施加有限元邊界約束條件來進行整個銑削過程的有限元仿真計算，最終獲得工件的加工變形狀態。在綜合考慮殘余應力、銑削力和夾緊力等因素耦合作用[5]下預測分析工件加工變形的方法。此法可完美仿真出薄壁構件從坯料到成型的加工全過程，并通過仿真結果與實驗測量值對比分析可知兩者具有很好的一致性。可做到對薄壁構件加工前變形情況的準確預測，這也為薄壁構件的加工變形的矯正及控制提供了新的途徑。