题目-制造业自动化

1、铝合金航空薄壁框铣削变形预测研究Prediction Research into Milling Stress and Deformation of theThin-Walled Aviation Box of Aluminum Alloy 尹飞鸿1、2, 唐国兴2，陈志伟1，干为民 2 、YIN Fei-hong1 2, TANG Guo-xing1, CHEN Zhi-wei1, GAN Wei-ming21. 常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002；2. 常州市特种加工重点实验室，江苏常州 213002)摘 要：铝合金航空薄壁框刚性差，铣削加工过程中极易产生加工变形，影响工件加工

2、精度和生产成本。本文利用有 限元方法，模拟分析了铣削力对航空薄壁框类零件加工变形的影响，从控制航空薄壁框铣削加工变形的角度出发，分 析了不同框体尺寸航空薄壁框的铣削应力与加工变形情况， 得到了加工变形规律。 本研究可为预测和控制航空薄壁框 类零件的加工变形提供方法和依据， 对航空薄壁框类零件的结构设计、 缩短研制周期和进一步提高生产率等都具有重 要意义。关键词：铝合金；薄壁框；铣削力；铣削变形；有限元分析 中图分类号： TG4 文献标识码： A 文章编号：随着现代飞机性能要求的不断提高，越来越多 的铝合金整体结构件在航空制造业中被广泛采用， 如整体薄壁框、梁、壁板及接头等，这是由于铝合 金结构

3、件具有整体性能优越、密度低、强度接近或 超过优质钢且塑性好等特性。从制造角度看，整体 薄壁框零件刚性差，切削力对加工精度的影响较为 显著，加工时在铣削力的作用下极易发生加工变 形，影响工件加工精度和成本。所以，预测和分析 航空整体结构件加工变形具有十分重要的意义。由 于航空薄壁零件的铣削加工变形问题非常复杂，其 加工变形涉及到毛坯材料本身的残余应力及其分 布、装夹方式和装夹应力、铣削方式和顺序等等， 本文借助于有限元软件仅仅模拟了切削力作用下 7075-T651 薄壁框零件精加工过程中的变形情况， 分析了其变形规律，通过改变薄壁框零件的长度和 宽度进行铣削有限元分析，得到了薄壁件的尺寸与 加工

4、变形间的关系，分析结果对实际铣削加工具有 重要的指导意义。1 薄壁框铣削模型1.1 几何模型从第三代飞机开始大量采用了如图1a所示的整体框类结构件 1-3 。文章时分析考虑到计算机的局 限性和运算速度，取单一铝合金航空薄壁框进行分 析，模型尺寸取：内壁长 80mm，宽 40 mm，高 20mm， 壁厚 4mm，如图 1b所示。为了便于后续的计算和分 析，规定坐标系的方向如下： 1) 沿刀具进给方向 为X正方向 ( 即工件长度方向 )；2) 沿刀具轴向远离 工件方向为 Z正方向 (即工件厚度方向 )；3 ) 根据 X 轴和Z轴的方向并利用右手定确定 Y正方向 ( 即工件 宽度方向 ) 。a)典型

5、航空薄壁框结构b)单一航空薄壁框模型图1 薄壁框几何模型1.2 铣削力模型 准确的铣削力模型是研究加工变形的关键工 作，虽然力学法建立的切削力模型有很多形式，一 般习惯于以刀具的坐标，方向来表示切削 力，故将切削力理论值变换到刀具坐标的， 方向 4-8 。文献 9 采用四因素、四水平正交试验 方法，基于铣削速度、铣削宽度、铣削深度和进给 量四个基本参数，通过参数的数学推导和矩阵简化收稿日期：基金项目：作者简介：国家 863 计划( SQ2008AA10XK146885)9 ，江苏省高校自然科学研究计划( 08KJD460002)资助 尹飞鸿(1969) ，男，副教授，主要从事 机械工装结构优化

6、设计与有限元分析、 加工过程建模与仿真研究 ，E-mail: hongfeiyin ， yinfh法，在试验的基础之上，建立了基于铝合金材料7075-T651 的数控三向铣削力经验公式。因此本文 采用文献 9 所建立的铣削力经验公式进行数值分析。其铣削力模型如下：Fx2. 9850. 8895 0. 4676 avp0. 0304 0. 7811f awd z kFy5. 3010. 9187 0. 4905 avp0. 0265 0. 7972fawd z k1. 8300. 8399 0. 54110. 0022 0. 7301Fza p v pfawd z k式中：d为刀具直径，z 为铣

7、刀齿数， ap为铣削深度， v为铣削速度， f 为铣削进给量， aw为铣削宽 度， k是与铣削液相关的修正系数，采用 1：15的水 和冷却油相混合铣削液时取 0.62 。 2薄壁框铣削应力与变形有限元分析 2.1 基本假设由于薄壁框铣削加工变形涉及的因素较多 10 ， 在模拟过程中如果综合考虑各种因素，会导致求解 过程十分复杂，甚至忽视掉重要的条件。因此，有 必要对铣削加工模拟过程进行如下假设：(1) 工件已消除了初始残余应力；(2) 工件材料是完全各向同性材料，其变形是 弹塑性的；(3) 切削加工过程中，视机床、刀具、工装等 工艺系统为刚体；(4) 不考虑刀具的刃口钝化和磨损，视刀具始 终锋

8、利，不考虑刀具的几何角度对切削变形的影 响，视刀具几何参数不变；(5) 加工变形是工件在切削力作用下的变形 引起的，不考虑热变形对薄壁框的影响。2.2 铣削工艺参数及工艺路线本文选用 W9M03Cr4V立铣刀，铣削方式为顺铣 内壁。铣刀参数：刀具直径 d=l0mm，螺旋角 =300，齿 数z=3。铣削用量：铣削深度 ap为 20mm，铣削速度 v为 200m/min ，铣削进给量 f 为 500mm/min，铣削宽度 aw 为2mm。工艺路线：首先进行粗加工，单侧将毛坯厚度 铣削到 10mm，然后进行精加工，走刀路径采用从左 到右的走刀路径。2.3 有限元模型的建立及分析策略目前有限元建模过程

9、基本上是借助CAD软件或有限元软件来完成。利用有限元软件与CAD软件接 于庞大的节点数，以至缺失数据，影响有限元分析 的准确性和精度 11 ，本文利用 ANSYS软件通过 APDL 语言编写程序建立薄壁框的有限元模型，其尺寸为 884820 mm，建模时选用具有塑性、蠕变、大 变形、大应变和高阶单元形式的 20节点的 SOLID95 单元，材料为 7075-T651 铝合金，机械性能参数为 弹 性 模 量 E=71GPa， 泊 松 比 =0.33 ， 抗 拉 强 度 b=503MPa，使用 SWEE的P 方法划分网格，薄壁框三 维有限元模型如图 2所示。研究对象约束采取对称 定位，约束一个中心

10、面 X方向的自由度，约束另一 个面 y方向的自由度，并对模型底面约束 z方向的自 由度。由于铣削过程中刀具是连续走刀，铣削载荷为 具有集中、移动特点的移动载荷，易形成对空间和 时间梯度都很大的不均匀应力和应变场，这正是形 成加工变形的根本原因。在实际模拟时，把走刀过 程离散成若干个切削位置，每一个切削位置就是工 件一个工况，根据刀具和工件之间的作用力与反作 用力的关系， 把刀具上所受的铣削力 (包括切削力、 进给力、轴向力)等效地施加到模型节点上，并假 设铣刀一次走刀完成全深度切削。分析时利用单元 生死技术，沿着载荷移动方向按一定的时间 t 依次 加载移动载荷，载荷中心每次以一个单元的距离向

11、前推进，并且在加载下一个载荷前，杀死前一个单 元，同时前进一步载荷，依次类推，最终实现整个 切削过程。a) 有限元模型及剖分 b) 加工的试样图2 薄壁框三维有限元模型2.4 铣削有限元分析结果 将上述有限元模型以 200个载荷步进行分析、 处理和模拟，得到如图 3所示的薄壁框铣削应力云 图，从图中可以看出，该薄壁框铣削最大应力主要 集中在刀具切削位置，其值为 31.677MPa。口直接引入 CAD模型往往导致模型的变化和产生过图 3 薄壁框铣削应力云图为了了解铣削加工的变形情况，取 80 20的内 壁沿长度方向每隔 16mm取一条观察线，即 X依次取 20、36、52、 68mm共4条观察线

12、，分别标记为 X11、 X12、X13、X14, 沿高度方向每隔 4mm取一条观察线， 即Z依次取 4、 8、12、 16、20mm共5条观察线，分别 标记为 Z11、Z12、Z13、Z14、Z15；在 4020的内 壁沿宽度方向每隔 8mm取一条观察线，即 Y依次取 12、20、28、 36mm共4条观察线，分别标记为 Y21、 Y22、Y23、Y24, 沿高度方向每隔 4mm取一条观察线， 即Z依次取 4、 8、12、 16、20mm共5条观察线，分别 标记为 Z21、Z22、Z23、Z24、 Z25。分别提取以上 各观察线上各点的变形值绘制加工变形曲线，其结 果如图 4- 图7所示。20

13、内壁长度方向变形曲线图5 80 20内壁高度方向变形曲线图 6 40 20内壁宽度方向变形曲线图 7 40 20内壁高度方向变形曲线 从图 4、图 6 可以看出二者的变化规律基本一 致，即各处的变形均随着 Z坐标值（高度）的增大 变形显著增加，这是由于随着框体高度的增加，受 框体底面部分的约束影响减小，从而刚度显著减小 所致。观察两图还可以看出，图4中的变形值明显大于图 6中的变形值，这是由于工件的长度尺寸明 显大于宽度尺寸，从而导致两端约束对中间变形的 影响越来越小。以上图 5、图 7可以看出，两图均呈抛物线型的 变化规律，长（宽）度的两端点处的变形均较小， 框体中部变形大于两端变形，由于框

14、体两端受约束 的影响较大，而中部受约束的影响较小，所以中部 变形大于两端变形，且中间各位置处的变形相差并 不明显。所以在约束少及刚性差的位置应该通过增 加辅助支承、减小进给量等措施来减小变形。 3 框体结构尺寸对铣削变形影响分析铣削变形不仅与铣削力有关，还与薄壁框零件 本身尺寸有关系，在材料属性、铣削工艺参数及工 艺路线不变的情况下，通过单独改变薄壁框的长或 宽中的某一尺寸的方式，预测薄壁框体结构尺寸对铣削加工变形的影响。图 8为薄壁框的长度从 55 至 100mm的最大铣削变形随长度的变化情况，图9为薄壁框的宽度从 20至 60mm的最大铣削变形随宽度的 变化情况。图8 不同长度的薄壁框最大

15、铣削变形3 王炎. 飞机整体结构件数控加工技术应用中的问题与对 策.航空制造工程 J ,1998,4:28 304 薛飞. 铣削加工薄壁工件的变形仿真 J. 上海电机学院 学报, 2011(6),351 355.5 李忠群,刘强. 圆角铣削颤振稳定域建模与仿真研究 J. 机械工程学报 ,2010 ，46(7) ： 181-186.6 Li Zhongqun,Liu Qiang.Solution and Analysis of Chatter Stability for End Milling in the Time-domain J,Chinese Journal of Aeronautics

16、,2008 ，21:169 178.7 王启东,刘战强,汤爱民 ,等.球头铣刀瞬态切削力数学 模型建立与仿真 J, 农业机械学报， 2011,42(8) ：200-206.8 李阳.薄壁零件铣削加工变形预测 D . 大连：大连交通 大学， 2008.9 唐国兴,郭魂,左敦稳等. 残余应力重分布引起的结构件 铣削变形研究 J. 机械设计与制造 ,2008(7):117-119.10 丁子昀 , 左敦稳 , 郭魂. 基于“框体拼接”法的多框体有 限元建模技术研究 J. 机械制造与自动化 ,2009,38 (1):51 53.图9 不同宽度的薄壁框最大铣削变形 从图 8、图 9的变化曲线可以看出：二者的变化 趋势相似，均随着长度或宽度的增加，其最大变形 也逐渐增加，但宽度方向的变形明显大于长度方向 的变形。4 结论1) 薄壁框体铣削加工是一个复杂的动态物理过程 , 铣削加工过程中由于铣削力作用， 在零件内部存在的局 部应力积聚会使被加工的薄壁框零件具有潜在的应力 和变形条件， 采用弹塑性有限元法可以对加工应力、 加 工变形等物理量进行有效预测。2)在实际工程中可以运用该方法模拟薄壁框体铣削 时