王榮奇，謝雪范，周曉勤，李國(guó)發(fā)

(吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025)

0 引言

隨著航天航空工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代飛行器對(duì)于比強(qiáng)度和比剛度等性能的要求越來(lái)越高，使得在保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的前提下，減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)整體性將成為航天航空工業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)[1]。因此，現(xiàn)代飛行器大量采用壁板、隔框和翼筋等整體式加工的薄壁結(jié)構(gòu)件，且其數(shù)量和尺寸越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)也來(lái)越復(fù)雜[2]。然而，盡管上述薄壁結(jié)構(gòu)件因其優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，但此類(lèi)結(jié)構(gòu)件的加工卻存在諸多不利因素[3-4]。例如，薄壁結(jié)構(gòu)件普遍存在剛度低、切削余量大以及機(jī)械加工工藝性差等特點(diǎn)，因此極易導(dǎo)致加工變形，繼而影響零件的面形精度[5]；此外，薄壁結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力和支撐裝夾方式等對(duì)其加工變形、疲勞壽命以及工作強(qiáng)度等均會(huì)產(chǎn)生影響[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)研究人員運(yùn)用有限元分析等方法對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工變形規(guī)律進(jìn)行了研究[7-10]，但這些研究?jī)H從工件裝夾方案和殘余應(yīng)力的角度分析其對(duì)加工變形的影響，而銑削過(guò)程中工件材料殘余對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形誤差的影響卻鮮有報(bào)道。鑒于此，文章通過(guò)研究薄壁結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中支撐裝夾、走刀路徑和材料殘余等關(guān)鍵因素對(duì)加工變形的影響規(guī)律，并藉此提高薄壁件銑削加工面形誤差的預(yù)測(cè)精度，為相關(guān)制造企業(yè)改進(jìn)工藝和提高加工效率提供技術(shù)參考。

1 銑削變形原理

對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工過(guò)程來(lái)說(shuō)，其沿銑刀徑向和軸向的讓刀現(xiàn)象是導(dǎo)致此類(lèi)柔性零件產(chǎn)生變形誤差的主要原因[11]。限于篇幅，如圖1所示，文章僅對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件銑削過(guò)程中軸向的讓刀變形進(jìn)行討論，并運(yùn)用有限元分析方法研究銑削過(guò)程面形誤差的分布規(guī)律。

一般來(lái)說(shuō)，航空薄壁結(jié)構(gòu)件經(jīng)銑削加工后的厚度普遍為3～5mm，甚至更薄，這與銑削加工的切削厚度極為接近，因此工件未經(jīng)銑削區(qū)域的材料殘留對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的分布將產(chǎn)生不可忽略的作用。為此，文章運(yùn)用FEA方法研究材料殘留、支撐夾緊以及走刀路徑對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工變形分布的影響規(guī)律。其中，圖2a表征的是在不考慮材料殘余時(shí)的銑削過(guò)程，而圖2b和圖2 c表征的是在考慮材料殘余時(shí)分別采用環(huán)切走刀路徑和往復(fù)式(Zig-Zag法)走刀路徑的銑削過(guò)程。運(yùn)用ANSYS Workbench 15.0，先根據(jù)表1所示的工件尺寸和材料參數(shù)建立薄壁件的參數(shù)化FEA模型，然后運(yùn)用“Design Exploration”工具箱中的“Response Surface”模塊，在薄壁件表面隨機(jī)選取200控制點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)獲取的加工變形進(jìn)行曲面擬合，進(jìn)而求得薄壁件銑削加工的變形分布。

圖1 銑削讓刀變形原理圖

工件長(zhǎng)度200 mm工件寬度200 mm工件厚度4 mm切削深度2 mm工件材料Al 6061切削力Fz10 N

(a)不考慮材料殘余時(shí)的 銑削過(guò)程 (b)采用環(huán)切走刀 路徑 (c)采用往復(fù)式 走刀路徑 圖2 不同薄板件銑削加工過(guò)程及其材料殘留變化

2 不含材料殘留的FEA分析

如圖3所示，在不考慮未銑削區(qū)域材料殘留的情況下，銑削加工變形對(duì)于走刀路徑的類(lèi)型及方向并無(wú)明顯影響，故僅需分析工件裝夾方式對(duì)加工變形的影響。如圖3a和圖3b所示，環(huán)切走刀路徑包括由內(nèi)向外和由外向內(nèi)兩種切削方向，而往復(fù)走刀路徑則包括垂直裝夾端和平行裝夾端兩種切削方向，如圖3c和圖3d所示。此外，為進(jìn)一步提高仿真效率和減少計(jì)算時(shí)間，在薄壁件采用雙對(duì)稱(chēng)裝夾和單對(duì)稱(chēng)裝夾兩種方案的情況下，本文將分別選取薄壁件的1/4區(qū)域(50個(gè)控制點(diǎn))和1/2區(qū)域(100個(gè)控制點(diǎn))進(jìn)行FEA仿真分析，而后利用Matlab 2015b對(duì)仿真獲得的加工變形量進(jìn)行曲面擬合，進(jìn)而獲取薄壁件銑削加工變形分布，如圖4所示。

(a)由外向內(nèi)環(huán)切(b)由內(nèi)向外環(huán)切(c)垂直裝夾端走刀(d)平行裝夾端走刀 圖3 薄板件銑削加工的刀具路徑和安裝固定

如圖4所示，在不考慮未銑削區(qū)域材料殘留的情況下，若薄壁結(jié)構(gòu)件采用雙對(duì)稱(chēng)的支撐緊固，則其加工變形同樣呈現(xiàn)出雙對(duì)稱(chēng)的分布規(guī)律(P1)，其最大加工變形(>15μm)出現(xiàn)在工件的中心區(qū)域，并沿四周呈現(xiàn)較小梯度的下降收斂趨勢(shì)。采用單對(duì)稱(chēng)支撐緊固時(shí)，加工變形則呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的分布規(guī)律(P2)，其最大加工變形(>22μm)出現(xiàn)在未裝夾的兩個(gè)自由端，同時(shí)中心區(qū)域的加工變形也出現(xiàn)局部最大值(>18μm)，而且其加工變形沿兩個(gè)未裝夾端呈現(xiàn)出較大梯度的下降趨勢(shì)。綜上所述，采用雙對(duì)稱(chēng)的裝夾方式，可以有效降低薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工的變形誤差，而采用單對(duì)稱(chēng)的裝夾方式，其加工變形誤差在兩個(gè)未裝夾的自由端較中心區(qū)域則更為顯著。

圖4 不含切削材料殘余的加工變形分布

3 含材料殘留的FEA分析

盡管前文在不考慮薄壁結(jié)構(gòu)件銑削材料殘留情況下的加工變形分布進(jìn)行了仿真研究，但其FEA結(jié)果較為理想，預(yù)測(cè)精度有所不足。尤其是在薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工過(guò)程中，此時(shí)工件厚度與未銑削部分材料殘留的厚度比較接近，且材料殘留區(qū)域在銑削過(guò)程中是不斷變化的，故其對(duì)加工變形的影響并不能直接忽略，本文將工件厚度和銑削深度均選擇為2mm，如表1所示。

為此，本節(jié)將考慮銑削過(guò)程中薄壁結(jié)構(gòu)件材料的實(shí)時(shí)變化，分析材料銑削殘留對(duì)于加工變形分布的影響規(guī)律，其更加接近于實(shí)際的銑削過(guò)程，仿真結(jié)果也將更具參考價(jià)值。此時(shí)，薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形不僅取決于工件的裝夾方式，還依賴(lài)于銑削刀具的走刀路徑，故本節(jié)在雙對(duì)稱(chēng)和單對(duì)稱(chēng)裝夾方式條件下分別研究環(huán)切路徑和Zig-Zag路徑的加工變形規(guī)律，如圖5所示，相關(guān)的尺寸和材料參數(shù)以及FEA建模過(guò)程與前文基本相同。

圖5 不同支撐夾緊和走刀路徑的薄壁結(jié)構(gòu)件銑削過(guò)程

如圖5所示，C1～C4和Z1～Z4分別為環(huán)切走刀和Zig-Zag走刀路徑。顯然，薄壁件的走刀方向會(huì)影響加工表面材料殘留的分布，同時(shí)還需考慮工件雙對(duì)稱(chēng)和單對(duì)稱(chēng)支撐夾緊，最后利用FEA方法可以獲取加工變形分布規(guī)律，分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同裝夾方式下的環(huán)切走刀銑削的加工變形

如圖6所示，當(dāng)采用環(huán)切刀具路徑由外往里銑削時(shí)，雙對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C1)的加工變形在中心區(qū)域?qū)⒓眲≡黾?>16μm)；而單對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C2)的加工變形在中心區(qū)域急劇增加(>19μm)，且在兩個(gè)未裝夾端也出現(xiàn)局部的增加(>10μm)。然而，當(dāng)采用環(huán)切刀具路徑由內(nèi)向外銑削時(shí)，雙對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C3)的加工變形最大值不在中心區(qū)域，而出現(xiàn)在距中心有一定距離的四個(gè)對(duì)稱(chēng)區(qū)域內(nèi)(>3μm)；而單對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件(C2)的最大加工變形(>22μm)則出現(xiàn)在兩個(gè)未裝夾自由端。通過(guò)與未考慮銑削材料殘留的仿真結(jié)果(圖4中P1和P2)對(duì)比分析可知，銑削材料殘留不僅影響加工變形誤差的分布，而且能夠抑制加工變形。

圖7 不同裝夾方式下的Zig-Zag走刀銑削的加工變形

如圖7所示，當(dāng)采用Zig-Zag刀具路徑垂直和平行支撐裝夾端銑削時(shí)(Z1和Z3)，雙對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁件的加工變形在中心區(qū)域有最大值(>6μm)，且最大值點(diǎn)向Zig-Zag走刀末端的方向產(chǎn)生輕微的偏移；但是，對(duì)單對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁件來(lái)說(shuō)，當(dāng)Zig-Zag走刀路徑垂直于裝夾端時(shí)(Z2)加工變形的最大值(>22μm)出現(xiàn)在走刀路徑的末端，這是由于此時(shí)殘留材料對(duì)加工變形的抑制作用最弱；而當(dāng)Zig-Zag走刀路徑平行于裝夾端時(shí)(Z4)，其誤差分布具有單對(duì)稱(chēng)性加工變形的最大值(>14μm)，并且向Zig-Zag走刀路徑末端產(chǎn)生明顯的偏移?？偠灾?，雙對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件的變形誤差整體小于單對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁件的變形誤差，且其變形對(duì)走刀路徑類(lèi)型的敏感度也弱于單對(duì)稱(chēng)裝夾薄壁結(jié)構(gòu)件。

綜上所述，當(dāng)采用雙對(duì)稱(chēng)裝夾方案時(shí)，環(huán)形走刀路徑由里向外銑削時(shí)的變形誤差最小，其次是Zig-Zag走刀路徑銑削，最大的是環(huán)形走刀路徑由外向里銑削，即C3< Z1= Z3< C1< P1；同理，當(dāng)薄壁結(jié)構(gòu)件采用單對(duì)稱(chēng)的裝夾方案時(shí)，可知其最大加工變形誤差順序?yàn)椋篫4< C2< Z2< C4

4 結(jié)束語(yǔ)

文章基于有限元仿真分析方法研究了裝夾方案和走刀路徑對(duì)薄壁件銑削面形誤差分布的影響，仿真結(jié)果表明：

(1) 薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形誤差對(duì)于工件裝夾方式和走刀路線(xiàn)方向具有高敏感性；

(2) 銑削加工過(guò)程中材料殘留可以有效抑制加工變形，且其依賴(lài)于裝夾方式、走刀路徑及銑削方向。

因此通過(guò)合理選擇裝夾方案和走刀路徑可以有效減小加工變形，提高薄壁件銑削加工的面形精度。

DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.458.283.