鄭耀輝 ，王江濤，王明海,2，李曉鵬，王 奔 ZHENG Yao-hui , WANG Jiang-tao, WANG Ming-hai,2, LI Xiao-peng, WANG Ben

（1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科試驗(yàn)室，沈陽 110136；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的快速發(fā)展，航空制造業(yè)對(duì)零件的使用性、安全性、環(huán)保性等各方面性能的要求不斷提高。為了提高推重比，飛機(jī)零部件廣泛使用薄壁整體結(jié)構(gòu)件，然而這類薄壁件尺寸大，剛性差，在加工過程中容易變形而難以滿足加工要求，影響零件的使用性能乃至飛機(jī)服役壽命。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)薄壁件的加工變形機(jī)理，變形規(guī)律和控制及補(bǔ)償策略等問題，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和仿真研究[1]。K.Rai[2]基于三維銑削模型，研究了薄壁隔板不同工裝、走刀路徑、銑削參數(shù)下的加工變形。S.Ratchev[3]考慮了仿真過程中不同刀具點(diǎn)位置的誤差并采用NC代碼建立了補(bǔ)償機(jī)制。武凱[4]在得到薄壁腹板加工變形基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了以大切深和分布環(huán)切法增強(qiáng)薄壁件剛度，減小變形量。尹飛鴻[5]針對(duì)航空薄壁框類零件，研究切削力對(duì)加工變形量的影響，預(yù)測(cè)了不同尺寸框類零件的加工變形規(guī)律。周孝倫[6]、秦國(guó)華[7]分別基于遺傳算法和數(shù)學(xué)模型，討論了裝夾方案對(duì)工件變形的影響，提出了同步優(yōu)化夾具布局和夾緊力的方法，優(yōu)化了加工過程中工件的彈性變形。

然而，這些關(guān)于加工變形的研究多是針對(duì)板類薄壁結(jié)構(gòu)件局部部位的理論分析，對(duì)于大尺寸結(jié)構(gòu)件的整體變形情況還不能做出預(yù)測(cè)，尤其是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用的薄壁回轉(zhuǎn)體零件的加工變形問題的研究還不夠。劉海濤[8]應(yīng)用單元生死技術(shù)模擬了薄壁回轉(zhuǎn)體的加工變形，但其研究更側(cè)重于初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)變形的影響，對(duì)影響加工變形的因素研究還不全面。

針對(duì)現(xiàn)有加工變形問題研究中的不足，本文基于機(jī)匣類零件建立了全尺寸大型薄壁回轉(zhuǎn)體三維有限元模型，通過所開發(fā)的載荷施加/卸載輔助軟件完成了車削切削力的動(dòng)態(tài)加載和卸載，實(shí)現(xiàn)了薄壁回轉(zhuǎn)體的整體變形預(yù)測(cè)，并研究了兩種輔助支撐條件下切削力對(duì)加工變形的影響規(guī)律。

1 有限元仿真模型的建立

1.1 工件模型的建立

機(jī)匣零件的加工質(zhì)量對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配和使用性能都起著關(guān)鍵作用，其制造水平也是制約發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的關(guān)鍵因素。機(jī)匣零件的一般加工順序?yàn)榇周嚧笮《?、半精車大小端、精車大小端、鉆孔、銑花邊及槽。通過對(duì)工序的分析可知，粗車和半精車工序加工余量相對(duì)較大，工件剛性強(qiáng)，而精車工序余量小，精車完成后機(jī)匣壁厚只有1.5mm～2.5mm，是車削變形的主要階段，因此選擇對(duì)精車過程建立仿真模型。由于鉆孔、銑花邊在車削工序之后，且去除量小，對(duì)此模型可以做相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理。

所建立的精車加工裝配三維有限元模型如圖1所示。工件高90mm，其中小端高40mm，大端高50mm，最小圓柱半徑395.5mm，最大圓柱半徑428.5mm，大、小端壁厚均為1.5mm。

圖1 工件三維有限元模型

機(jī)匣加工所用材料為GH4169高溫合金，材料本構(gòu)模型為J-C模型，模型參數(shù)如表1所示。

表1 GH4169本構(gòu)模型參數(shù)

1.2 切削力的獲取和施加

切削力的值由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，由GH4169高溫合金車削試驗(yàn)得到的車削切削力經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所示。

為了快速獲取不同切削參數(shù)下的切削力大小，將切削力計(jì)算公式寫入程序源代碼，開發(fā)了車削力計(jì)算功能模塊。如圖2軟件界面左側(cè)所示，輸入不同的切削速度、進(jìn)給量、切削深度，點(diǎn)擊“計(jì)算切削力”即可計(jì)算出不同切削參數(shù)下的三向切削力大小。

為了施加某一工步的切削力載荷，首先定義該工步的走刀軌跡，在Abaqus中建立走刀軌跡的節(jié)點(diǎn)集合，提取出包含節(jié)點(diǎn)信息的文件，然后應(yīng)用所開發(fā)的載荷施加/卸載輔助軟件識(shí)別文件并讀取節(jié)點(diǎn)信息，以指定的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為步長(zhǎng)，自動(dòng)創(chuàng)建多個(gè)有限元分析步。運(yùn)行腳本文件，在相應(yīng)的模型中生成分析步和載荷，從而實(shí)現(xiàn)該工步切削力的動(dòng)態(tài)加載和卸載。該工步完成后，用Abaqus自帶的“單元生死”功能，去除該工步需要切除的材料。然后進(jìn)行下一工步的分析計(jì)算，以此循環(huán)直至完成整個(gè)精加工過程。

圖2 移動(dòng)載荷施加/卸載軟件界面

1.3 裝夾方式

工件的裝夾方式是影響薄壁件加工變形的重要因素，最高占引起加工誤差因素的60%[9]。對(duì)于機(jī)匣類大型薄壁件，采用立車加工。車削過程中，用專用夾具壓緊花邊，采用徑向輔助支撐以增強(qiáng)車削過程中工件的剛性。整套輔助支撐分為內(nèi)支撐和外支撐，當(dāng)車削內(nèi)圓柱表面時(shí)，外側(cè)支撐頂住外圓柱表面以抑制工件變形，同理，車削外表面時(shí)，內(nèi)側(cè)支撐起作用。

1.4 仿真試驗(yàn)方案

在工件材料和幾何形狀已確定的情況下，切削力和裝夾方案是影響加工變形的關(guān)鍵因素[10]，因此以切削力和輔助支撐數(shù)目為影響因素設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)方案。輔助支撐元件的數(shù)目采用生產(chǎn)中常用的24個(gè)和12個(gè)，元件長(zhǎng)度為20mm，切削力的設(shè)置如表2所示。

表2 切削力設(shè)置表

2 仿真結(jié)果分析

2.1 仿真結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，由仿真結(jié)果得到不同方案下的內(nèi)圓徑向跳動(dòng)、外圓徑向跳動(dòng)及支撐元件反作用力大小，作為評(píng)估加工變形大小及選擇仿真方案的依據(jù)。

2.1.1 支撐元件數(shù)量為24個(gè)

支撐元件數(shù)量為24個(gè)時(shí)，仿真試驗(yàn)得到的內(nèi)圓徑向跳動(dòng)最大誤差、外圓徑向跳動(dòng)最大誤差及支撐元件最大反作用力如表3所示。

表3 最大徑向跳動(dòng)誤差及反作用力（24支撐）

根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支撐元件數(shù)量為24個(gè)時(shí)，建立的切削力與內(nèi)圓徑向跳動(dòng)最大誤差、外圓徑向跳動(dòng)誤差關(guān)系曲線如圖3所示，切削力與支撐元件最大反作用力關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 切削力與跳動(dòng)誤差關(guān)系圖（24支撐）

圖4 切削力與反作用力關(guān)系圖（24個(gè)支撐）

2.1.2 支撐元件數(shù)量為12個(gè)

支撐元件數(shù)量為12個(gè)時(shí)，仿真試驗(yàn)得到的內(nèi)圓徑向跳動(dòng)最大誤差、外圓徑向跳動(dòng)最大誤差及支撐元件最大反作用力如表4所示。

表4 最大徑向跳動(dòng)誤差及反作用力（12支撐）

根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支撐元件數(shù)量為12個(gè)時(shí)，建立的切削力與內(nèi)圓徑向跳動(dòng)最大誤差、外圓徑向跳動(dòng)誤差關(guān)系曲線如圖5所示，切削力與支撐元件最大反作用力關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 切削力與反作用力關(guān)系圖（12個(gè)支撐）

2.2 變形規(guī)律分析

在24個(gè)輔助支撐元件條件下，隨著切削力的增大內(nèi)圓徑向跳動(dòng)誤差最小值和最大值分別為0.0032mm和0.0064mm，外圓徑向跳動(dòng)最小值和最大值分別為0.0031mm和0.0063mm，對(duì)比可知，內(nèi)圓跳動(dòng)與外圓跳動(dòng)變化規(guī)律一致，且數(shù)值相差不到2%。這可能是因?yàn)橛捎诒”诩诤駜H1.5mm，而內(nèi)圓和外圓的半徑尺寸都將近400mm，1.5mm的尺寸差距相對(duì)很小，所以內(nèi)圓和外圓的變形規(guī)律十分相似。從圖4可以看出，當(dāng)支撐元件數(shù)量為24個(gè)時(shí)，隨著切削力的增加，支撐元件最大反作用力均增大，而且基本成線性規(guī)律增大；從圖6可以看出，支撐元件數(shù)量為12個(gè)時(shí)，隨著切削力的增加，支撐元件最大反作用力增大，切削力超過330N后，基本成線性規(guī)律增大。更具體的對(duì)比可以看出，無論支撐元件數(shù)目是24個(gè)還是12個(gè)，支撐元件的反作用力大小總是跟隨著切向力大小增大而增大。

進(jìn)一步對(duì)比不同輔助支撐數(shù)目時(shí)的變形量卻發(fā)現(xiàn)差別很大：24個(gè)和12輔助支撐元件條件下的最小變形量分別為0.0031mm和0.0151mm，最大變形量分別為0.0064mm和0.0307mm。這說明增加輔助支撐的數(shù)目可以有效的減小加工變形，仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，輔助支撐數(shù)目由12個(gè)增加到24個(gè)時(shí)，變形量提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但這并不能說輔助支撐數(shù)目越多越好，因?yàn)閷?duì)于大型整體薄壁件，其裝夾過程比較復(fù)雜，增加輔助支撐數(shù)目必然增加工件裝夾時(shí)間，影響加工效率。另外，按照加工工藝要求，精加工階段材料去除率低，背吃刀量小，因而切削力較小，精加工內(nèi)圓和外圓產(chǎn)生的最大跳動(dòng)誤差為0.0307mm，相對(duì)于對(duì)應(yīng)工藝的公差要求0.1mm，形位誤差值還是可以接受的。

由以上分析可知，可以根據(jù)不同切削力情況的最大變形量和輔助支撐反作用力大小調(diào)節(jié)輔助支撐數(shù)目，在保證加工精度的前提下，減少裝夾時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)測(cè)量方法

通過對(duì)比相同仿真和試驗(yàn)條件下內(nèi)、外圓徑向跳動(dòng)誤差值，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。仿真條件下，可以在自定義的柱坐標(biāo)下，直接查詢節(jié)點(diǎn)的徑向位移以確定變形量。而試驗(yàn)條件下并沒有明確的坐標(biāo)參考，因此選取內(nèi)、外圓周上任一位置為零點(diǎn)，然后依次等角度測(cè)量8個(gè)點(diǎn)的相對(duì)徑向位移誤差，變形量測(cè)量點(diǎn)位置分布示意圖如圖7所示。

圖7 測(cè)量位置分布圖

3.2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

按照上述方法，測(cè)量出12個(gè)輔助支撐條件下精加工后，內(nèi)、外圓8個(gè)位置點(diǎn)的變形量值。同樣的條件下，測(cè)量出仿真結(jié)果中相對(duì)應(yīng)的8個(gè)位置點(diǎn)的變形量。得到的原始數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

表5 變形量原始數(shù)值

由于試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)獲得方法不一致，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，然后繪制在同一圖表中，得到如圖8所示。

圖8 仿真和試驗(yàn)變形趨勢(shì)圖

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，工件的變形量先增大，后減小，再增大，總體表現(xiàn)為震蕩波動(dòng)，這可能是由測(cè)量點(diǎn)和輔助支撐的相對(duì)位置決定的。對(duì)比試驗(yàn)和仿真的變形曲線可以看出，試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)、外圓變形量試驗(yàn)和仿真曲線變化趨勢(shì)一致，這也驗(yàn)證了試驗(yàn)得出的結(jié)論。試驗(yàn)和仿真結(jié)果的最大變形量分別為0.02mm和0.026mm，考慮到試驗(yàn)中力的波動(dòng)以及其他加工工序?qū)ψ冃瘟康挠绊懀抡娼Y(jié)果可以接受。對(duì)比試驗(yàn)內(nèi)、外圓的變形曲線，可以看出內(nèi)、外圓徑向變形量大小和變化趨勢(shì)都一致，和文中第二部分分析一致，這也進(jìn)一步表明仿真結(jié)果比較可靠，該仿真模型可以用于預(yù)測(cè)工件加工變形規(guī)律。

4 結(jié)論

通過對(duì)薄壁回轉(zhuǎn)體車削模型的研究和加工變形規(guī)律的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）本文應(yīng)用的動(dòng)態(tài)載荷施加/卸載方法，是預(yù)測(cè)大型薄壁回轉(zhuǎn)體整體加工變形的一種有效方法，建立的有限元仿真模型可以作為研究加工變形問題的基礎(chǔ)模型。

2）通過對(duì)精加工工序不同切削力和支撐條件下的變形量分析可知，薄壁件的圓柱度誤差隨著切削力的增加而增大，輔助支撐元件的反作用力隨著切削力的增加初始增幅較緩慢，而當(dāng)支撐反作用力超過330N以后，基本線性增大。

3）薄壁件的加工變形是一個(gè)復(fù)雜的問題，對(duì)于影響加工變形的每個(gè)因素都需要更深入的研究。本文僅探討精加工階段切削力和兩種輔助支撐元件數(shù)目條件下薄壁件的加工變形規(guī)律，對(duì)于影響切削力大小的每個(gè)切削參數(shù)、輔助支撐元件的位置、輔助支撐元件的長(zhǎng)度以及其他加工工序、不同材料去除率等條件下的加工變形問題，都需要做進(jìn)一步的研究。

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