對基于ABAQUS的薄壁件多點柔性加工變形的研究

王騰飛

摘 要：本文簡要概述了多點柔性的研究基礎，介紹了有限元軟件的建模過程，并且借助有限元軟件，研究薄壁件在實際加工過程的變形影響。分別從支撐單元密度、單元之間距離、夾持力三個角度展開研究，總結了薄壁件的最優布局，是以占用最少資源、優化調配時間為基礎展開的裝夾布局。

關鍵詞：ABAQUS;薄壁件;加工變形

大型航空器的薄壁件，具有尺寸大、韌性低、加工精度細致、工藝性能不佳等特征，極易產生加工變形問題;在裝夾力、切削力的作用下，薄壁件的加工變形問題尤為突出。航空器零件的加工精細工藝，關乎著航空器后期的裝配流程，因此，控制薄壁件加工變形問題，成為當前亟需解決的工藝性能問題。

1 建模

1.1 多點柔性的研究理念

柔性工藝理念擁有獨立的工裝系統，包含：X向導軌、工件、底座、Y向導軌、真空吸盤、氣路開關、Z向支柱、真空發生器、空氣壓縮機等。此系統是綜合利用真空發生器，采取定位夾緊薄壁件的方式，結合作業需求，開展支撐單元的方陣陣列布置，陣列布置應滿足m×n配置。其中m為X向導軌上支撐單元的個數，應滿足在X軸移動的運動條件;n為Y向導軌上的動梁數，應符合在Y軸的運動規律;m與n之間的關系，應理解為：每個動梁n1擁有支撐單元m個。通過簡化模型可知，當m值不小于8時，滿足薄壁件的工藝需求。

1.2 ABAQUS建模

有限元模型，以航空器機身艙門零件布局為參考，展開薄壁件加工變形分析。有限元模型的分析優勢：有利于簡化航空器薄壁件柔性夾具布局結構的分析流程，開展具有非線性的動態分析，研究航空器薄壁件的變形規律，建立以多點柔性為實體支撐的有限元分析模型，設置薄壁件加工變形的測量線，研究薄壁件在加工過程中的等效塑性變化規律。

2 基于有限元模型分析多點柔性變化規律

2.1 以單元密度作為控制變量

綜合參考控制變量單元密度，包含的動態因素有：銑削工藝、吸盤吸附能力;配置支撐單元的布局結構，共設置9組多點柔性布局，分別為：①：3×3，②：3×4，③：3×5，④：3×6，⑤：3×7，⑥：4×5，⑦：4×6，⑧：4×7，⑨：4×8。當航空器的薄壁件支撐單元密度p值為0.2mm時，9組布局的柔性加工變形數值分別為：1、1.8、0.6、0.5、0.5、0.6、0.5、0.4、0.6;當p=0.4mm時，9組變形數據分別為：3、1.8、0.7、0.6、0.5、0.6、0.5、0.4、0.7;當p=0.6mm，9組加工變形數據分別為：3.6、2、0.8、0.7、0.6、0.7、0.5、0.6、0.8;其中1取值來自X向導軌，2取值為Y向導軌y1，3取值為Y向導軌y2[1]。

通過研究多點柔性的加工變形規律，由數據可知，以X向導軌為基礎，p值增大時，變形數據大幅度變化，適用于支撐單元密度較小的設置方式，在布局結構第四組開始，加工變形趨勢逐漸穩定。因此，支撐單元密度p值應不大于0.2，以優化配置、調整調配時間為原則，選擇薄壁件加工變形較小的布局結構，以第四組3×6、第五組3×7、第七組4×6的布局配置為宜。

2.2 以單元間距作為研究對象

以第四組布局3×6為基礎，展開單元間距的影響分析;布局參數：d=x1=y1=50，單位為mm，此時薄壁件加工變形影響程度最小。結合零件整體變形情況可知：零件周邊變形程度較大、高達0.37mm，采取不同單元之間的距離，研究其對薄壁件加工變形的影響，并且保障吸盤有效性，確保零件單元之間不產生相互關系，以便于簡化分析流程;單元之間的距離d，分別取值為：42、46、49、52、54，單位為mm，展開對比研究[2]。

統計單元之間距離產生的零件變形數據，當d=42mm時，零件變形量t=0.48mm;當d=46mm時，t=0.26mm;當d=49時，t=0.24mm;當d=52mm時，t=0.19mm;當d=54mm時，t=0.19mm。由此可知：當單元間距d大于49mm時，薄壁件的變形量值最小，有效控制在0.19mm。在單元間距增大期間，5組路徑的零件加工變化呈現弱勢，產生此現象的原因在于：支撐單元間距增大，有利于薄壁件獲取良好的支撐，便于薄壁件邊緣夾緊工藝完成，促使薄壁件邊緣的加工變形受到控制，整體的變形量維持在0.07mm。

2.3 分析夾持力的影響力

以第四組薄壁件結構布局3×6，單元間距d=50mm，為基礎，展開夾持力的變形影響分析;采取銑削工藝，分析夾持力的影響力。基于銑削工藝需求，吸盤吸附力的最小值F，應不大于11.1牛;選取圓形吸盤，取直徑r=20mm、圈褶c=1.5;在真空環境壓強Pa值為0.07MPa環境下，薄壁件的脫離力為16.3牛，側向受力值為23牛;設置pa值：0.05、0.06、0.07、0.08，分析銑削工藝對薄壁件的變形影響。通過簡化分析流程可知：銑削工藝中，應選擇真空環境壓強pa值不大于0.08mm，實現有效控制切削振動的不利影響，控制薄壁件加工變形程度。

3 結論

（1）支撐單元密度p值增加，有利于控制薄壁件的變形問題，其中以第四組布局結構3×6的變形程度最小，使得零件變形量不大于0.2mm，是為最佳的單元布局結構設計;

（2）以布局結構3×6為基礎，支撐單元間距d值增加，有利于減弱薄壁件的加工變形態勢，尤其在d=50時，零件變形量不大于在0.2mm，是為最佳支撐單元間距設置;

（3）銑削工藝對薄壁件的變形影響力不大，需設計真空環境壓強值pa不大于0.08mm。

參考文獻：

[1]于金，王胤棋.基于ABAQUS軟件二次開發的大型曲面薄壁件加工變形預測[J].機床與液壓，2018，46（11）：172-175.

[2]于金，王胤棋.ABAQUS二次開發及在曲面薄壁件加工變形模擬中的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2017（09）：129-131+135.