薄壁零件装夹变形的有限元分析
薄壁零件装夹变形的有限元分析
摘要：本文应用分析软件ABAQUS的接触功能，从薄壁零件装夹简化模型面—面接触模型入手，建立了三维接触模型，进行了有限元分析，并以薄壁零件的变形量为评价指标，得出有限元分析结果，以全面了解和掌握精密薄壁零件装夹变形情况，为实际加工过程提供参考依据。
关键词：薄壁零件；精车夹具；装夹变形；有限元分析
目前对装夹技术的研究主要集中在装夹方案的理论分析和装夹过程的误差分析，而工程技术人员在进行具体工装设计时，主要依靠设计人员的经验进行定位和夹紧方案的设计[1]。
由于经验设计所取安全系数比较大，造成夹具材料消耗多，夹紧变形大，设计周期长。
随着轻量化设计技术的推广，有限元分析工具在产品工装设计中的应用将越来越广。
薄壁零件是一类生产中常见的典型零件，其结构特点是刚性差，对夹紧力要求非常严格，既要保证夹紧可靠，同时又要保证夹紧变形小。
为实现薄壁零件加工夹具的快速设计和轻量化设计，本文以某薄壁舱体精车夹具为例，应用有限元方法，分析了双锥涨簧夹具机构的夹紧力、夹紧变形，为薄壁类回转零件的夹具设计提供了参考依据。
2.加工夹具设计
[2]根据零件形状特征及精车要求，内孔dl采用双锥涨簧结构定位夹紧，右端内孔d2采用单锥涨簧结构定位夹紧，如图2所示。
两套涨簧全线支承薄壁加工零件内孔，使零件加工处于正确的理想尺寸状态。
根据大直径薄壁件刚性弱的特点，为保证零件1.8mm的壁厚均匀，达到加工零件的同轴度Ф0.06 mm 设计要求，涨簧设计采用全圆柱面接触，以增加零件整体加工刚性。
如图3所示为螺母旋紧带动活动锥体挤压双锥涨簧、涨簧变形而夹紧工件的过程。
1.轴2固定锥本3.销 4.双锥涨簧 5.活动锥体Ⅰ
6.导向键7单锥涨簧8.活动锥体Ⅱ9.螺母
3.装夹变形接触问题分析中有限元方法的应用
在机械结构设计中，零件间的接触和配合是很常见的。
对于精密薄壁零件的装夹过程而言，螺母旋紧带动活动锥体挤压双锥涨簧、涨簧变形而夹紧工件的过程即是典型的接触问题。
目前，在解决接触问题方面已广泛采用有限元方法来确定接触表面上的应力、变形以及接触区域的大小。
分析过程是：首先假设接触状态和可能的接触区域，然后按这些状态所对应的边界条件，依照两接触体间的接触面积和压力分布随外载荷变化而变化的特点来建立方程并求解；其结果应满足假定接触状态对应的判定条件，否则需要修改接触状态，继续求解，直到满足相应的判定条件为止。
所以接触问题的求解是一个迭代求解过程，需要较大的计算资源，为进行有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。
最近几年，商业有限元软件在求解接触问题上取得了很大的发展，使用有限元分析方法目前已经成功的解决了点对线、线对线和面对面等的接触问题，应用有限元分析软件的模拟仿真功能，可以缩短产品的开发和研制时间，降低成本，为新产品的开发过程提供有利的技术支持。
ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一，特别是它的非线性力学（几何、材料、接触）分析是国际上公认的最优秀的非线性有限元分析软件，其分析接触问题的功能尤其强大，应用此软件，使得该类接触问题的简便求解成为可能。
下面以薄壁零件装夹变形分析来说明该软件的应用过程：
3.1.模型建立及简化
3.1.1.零件模型的建立及简化：根据精车加工尺寸图，结合装夹的形式，判断零件变形的主要区域位于圆柱段，其斜台阶孔凹槽和4个轴向长凸台即属于非变形区域，将其模型简化为图4所示。
3.1.2.双锥涨簧的简化：根据图2和图3单、双锥涨簧及其装夹情况，由于涨簧两端和内壁面有小倒角和倒圆存在，导致在有限元分析中侧壁及底面划分网格不规则，由于该部位对变形的结果影响不大，因此可以简化，同时将固定锥体和活动锥体简化成如图5所示的离散刚体。
3.2.材料和截面属性
通过特性（Property）模块来创建材料和定义材料的参数。
本文假设材料均为线弹性，如薄壁零件的材料为铝，其杨氏模量为70000MPa，泊松比为0.33；涨簧的材料为钢，其杨氏模量为210000MPa，泊松比为0.27。
3.3.网格划分
网格剖分是建立有限元模型的一个重要环节，网格数量的多少和大小将影响计算结果的精度和计算规模。
由于本文分析的是接触问题，接触面上不能用3D20R和C3D20单元，否则会出现不收敛的情况，所以使用C3D8R单元进行网格划分，结果如图6所示。
3.4.定义分析步及输出要求
定义分析步：尽管装夹过程是一个动态过程，但此问题所关心的是薄壁零件在涨簧作用下的结构静态响应，所以设置分析步类型为Static，General（使用ABAQUS/Standard作为求解器）。
3.5.边界条件的设定和载荷的施加
根据模型的装夹特点，薄壁零件和涨簧是三维柔体，唯一可能出现的刚体位移是轴向位移U1，所以在薄壁零件的底边上施加边界条件U1=0；涨簧的轴向刚体位移通过固定锥体和活动锥体的边界条件来消除。
3.6.定义接触相互作用
3.6.1.活动锥体与涨簧的接触：选择活动椎体的接触面为主面，涨簧的接触面为从面。
3.6.2.固定锥体与涨簧的接触：选择固定椎体的接触面为主面，涨簧的接触面为从面。
3.6.3. 涨簧与薄壁零件的接触。
4.分析结果讨论
从图7可以看出工件的变形区域位于与涨簧两端的接触面上，最大应力为240MPa，小于工件的材料许用应力值。
而中心区域的应变值近似为零，说明该区域在装夹过程中未与双锥涨簧发生接触。
图8中可以看出涨簧在锥体的挤压下呈马鞍形的变形方式，由此分析可知涨簧与工件并不是以全圆柱面接触的装夹方式。
由以上分析可知，如果没有控制好活动锥体的移动量，工件就会出现如上图所示的变形，从而导致在车削外圆时出现过切的情况，因而，有必要采取措施控制好活动锥体的移动量。
图9是工件最大变形量随活动锥体位移的变化图。
为保证工件加工精度，需要对活动锥体偏移量进行控制5.结语
经加工实验研究和加工精度检测证明，采用有限元软件对精密薄壁零件装夹变形情况进行分析，并以薄壁零件的变形量为评价指标，对缩短夹具设计周期及有效控制夹紧力，提高零件加工质量提供了理论依据。
参考文献：
[1]周小兵.精密薄壁零件装夹变形的分析与控制研究[学位论文]2006
[2]谭晓芳，杨建贺.大型涨簧定位夹紧装置设计[J] .科技创新导报.2013。
薄壁件装夹方案优选的有限元模拟
薄壁件装夹方案优选的有限元模拟
陈华;陈蔚芳;郑会龙
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2008(000)003
【摘要】针对薄壁零件刚性较低,加工工艺性差,容易产生装夹变形的问题,提出了采用有限元分析的方法来比较装夹方案的优劣.对于一个给定的零件,先给出几种合适的装夹方案,并计算出每种方案的夹紧力.然后,基于有限元软件,计算出工件在各种装夹方案下的变形量,以装夹后的形位误差最小为目标,选出最优的薄壁件装夹方案.文章给出了一个薄壁镜座零件的实例,采用ABAQUS有限元软件,应用本文描述的方法,得出了一种较优的装夹方案,有效地论证了该方法的可行性.
【总页数】5页(P63-67)
【作者】陈华;陈蔚芳;郑会龙
【作者单位】南京航空航天大学,机电学院,南京,210016;南京航空航天大学,机电学院,南京,210016;中国航空工业第一集团公司北京精密机械研究所(303所),北
京,100076
【正文语种】中文
【中图分类】TG65
【相关文献】
1.铣削加工中薄壁件装夹方案优选的有限元模拟 [J], 董辉跃;柯映林
2.基于残余应力分布的框类零件装夹方案优选的有限元模拟 [J], 董辉跃;柯映林;吴
群;许德
3.基于ABAQUS的薄壁件装夹优选方案有限元分析 [J], 于金;史玉祥;刘成林
4.基于残余应力的薄壁件装夹方案优选技术 [J], 辛顺强;吴竹溪;陈绍清;肖洁;叶海潮
5.一种弱刚度薄壁结构件装夹方案优化的有限元模拟 [J], 贾新杰;贾春德;张志军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于有限元分析的薄壁圆环零件加工工艺研究
精 密 成 形 工 程第16卷 第5期 156JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2024年5月收稿日期：2024-01-24 Received ：2024-01-24 引文格式：路春辉, 魏雁锐, 段新梅, 等. 基于有限元分析的薄壁圆环零件加工工艺研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(5): 156-163. LU Chunhui, WEI Yanrui, DUAN Xinmei, et al. Machining Process of Thin-walled Circular Ring Parts Based on Finite Element Analysis[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(5): 156-163. *通信作者（Corresponding author ） 基于有限元分析的薄壁圆环零件加工工艺研究路春辉*，魏雁锐，段新梅，王丽平，李松（北京航天新立科技有限公司，北京 100039）摘要：目的 针对薄壁圆环零件刚性差、强度弱、加工过程中易发生受力变形的难题，基于薄壁圆环零件加工成形工艺，优化零件的加工工艺和装夹方式。
方法 考虑到工艺对零件加工质量的影响，对零件的加工方法和装夹方式进行研究，提出一种新的加工工装，运用ANSYS 软件对零件装夹受力情况和振动变形进行有限元模拟仿真分析。
结果 该工装不仅能够防止零件发生应力集中，还提升了零件加工精度和表面质量，工装设计为一夹一顶方式，只需调整顶尖压紧力便可确保圆环件在加工中不会发生变形，同时拆装方便，提高了生产效率。
结论 对于薄壁圆环件的数控加工，可通过科学设计零件加工工艺流程和装夹工装，解决零件受力变形问题，保证薄壁圆环零件的尺寸、形位公差和表面粗糙度符合要求，提高了生产加工效率，满足产品批量生产使用要求，为类似薄壁件的加工提供了参考。
薄壁零件装夹变形原因及控制
薄壁零件装夹变形原因及控制精密薄壁零件是目前制造业发展的一个重要方向,薄壁零件的装夹是其生产制造中的一个重要环节,但由于工艺不合理,对薄壁零件认识不够等因素造成的装夹变形时有发生。
该文分析了薄壁零件装夹变形的产生原因,并提出了一些控制对策。
薄壁零件,装夹变形,原因,对策薄壁零件的加工变形,一直是机械加工制造业的一个难题,很多国内外学者都对薄壁零件的加工变形问题进行了分析了研究,使得薄壁零件的加工技术有了一定的突破。
实际工作中,要想通过合理的对策解决薄壁零件的加工变形问题,就要首先认清产生变形的原因。
1.薄壁零件装夹变形的成因及区分薄壁零件出现变形有很多的原因,在设计零件的过程中,不仅要考虑零件设计结构的工艺性,还要提高零件结构的刚性,防止在加工中出现变形,尽可能保证零件结构对称、薄壁厚度均匀,选择毛坯时,最好选择没有内应力的原材料。
在制造系统中,零件加工变形的主要因素有,工件的装夹条件。
由于薄壁零件的刚性比较差,加工时不恰当的选择央紧力与支承力的作用点,导致附加应力,夹、1压的弹性变形会一定程度上影响零件表面的尺寸精度和形状、位置精度,导致变形。
加工残余应力。
在零件加工过程中,由于刀具对已加工面的挤压、刀具前刀面与切屑、后刀面与已加工表面之间的摩擦等综合作用,导致零件表层内部出现新的加工残余应力。
由于不稳定的残余应力的存在,一旦零件受到外力作用,零件就会在外力与残余应力的作用下产生局部塑性变形,重新分配截面内的应力,去除外力作用后,零件就会受到内部残余应力的作用出现变形。
这种由于切削过程中残余应力的重新分布,造成的零件的变形,会严重影响加工质量。
切削力和切削热、切削振动。
为了避免被加工材料产生弹性变形、塑性变形以及刀具与切屑和工件之间的摩擦,切削过程会产生切削力和切削热,在两者作用下,很容易导致零件振动和变形,进而影响零件的质量。
另外,造成零件变形的影响因素还有机床、工装的刚度,切削刀具及其角度、切削参数和零件冷却散热情况等。
基于有限元的薄壁件加工变形分析
3
实验验证方案
根据模拟结果，设计实验方案，包括加工参数、 工装夹具等，确保实验的可靠性和可重复性。
实验结果分析
变形量测量
01
通过测量薄壁件加工后的变形量，如挠度、扭曲等，验证有限
元模型的准确性和可靠性。
应力分布分析
02
分析薄壁件加工过程中的应力分布情况，研究加工参数对应力
分布的影响，为优化加工工艺提供依据。
壁件变形分析的通用性和普适性研究。
同时，现有的研究主要关注静力平衡状态下的变形分 析，而忽略了加工过程中的动态效应和残余应力的影
响。
研究内容与方法
研究内容
本研究旨在建立基于有限元的薄壁件加工变形分析方法，实现不同工艺和不同材料薄壁件的变形预测 。研究内容包括：建立有限元模型、模拟加工过程、预测变形情况、优化加工工艺和验证分析结果。
工艺优化方案
根据实验结果和分析结论，提出工艺优化方 案，减少变形量，提高加工精度和效率。
06
结论与展望
研究结论
01
02
03
04
薄壁件加工变形的主要原因是 材料特性和加工工艺参数，如
温度、压力等。
通过有限元分析，可以准确地 模拟和预测薄壁件的加工变形 ，为优化工艺参数提供依据。
针对不同材料的薄壁件，需要 采用不同的加工方法和工艺参
传统加工方法难以保证薄壁件的加工精度和质量，因此需要研究薄壁件的加工变形 分析方法。
基于有限元的方法是一种有效的数值分析方法，可以模拟薄壁件的加工过程，预测 其变形情况，为优化加工工艺和提升产品质量提供理论支持。
研究现状与问题
目前，基于有限元的方法已广泛应用于薄壁件的加工 变形分析。
然而，现有的研究主要集中在某一特定工艺或特定材 料的薄壁件变形分析，缺乏对不同工艺和不同材料薄
薄壁零件加工变形分析及控制方案
0引言薄壁零件在设备中的应用都是在核心部位，其质量以及性能的会关系到设备的应用效果。
再加上薄壁零件在加工制作的过程中需要对其外壁进行不断的打磨，以使其达到薄壁的要求，但这就导致了资源的浪费，这与我们现代社会提倡的“绿色生产”相违背。
为了相应这一号召，就必须对生产的工艺以及过程进行分析，探究新的技术，实现薄壁零件的最优生产。
1薄壁零件的介绍薄壁零件顾名思义就是零件的壁厚较薄，一般为轮廓尺寸的二十分之一。
最重要的是其有强度高、承载性强等优点，受到了很多行业的追捧。
在航天产品以及汽车制造工业中，其具体的特点有以下几点，一是结构复杂，在很多的大型产品中应用，为了减轻产品整体的重量，会增加很多的复杂设计，因此故意忽略了装夹定位，导致零件结构复杂。
二是壁薄，尤其是对于一些精密产品来说，需要零件的壁更薄，并且不适合集中粗放生产，这就相应的增加了零件的生产时间，进而使得提高了制造成本。
三是精准度高，薄壁零件要适应设备的制造的需求，就必须提高自身的精确度，为此从毛坯加工到成品需要多道工序，而且在加工的过程中极易出现变形的情况，甚至会导致零件报废。
这增加了制造企业的经济负担，延误了买家的使用也对零件生产企业的形象造成了破坏。
四是制作材料多，为了使用不同产品生产的需求，薄壁零件在加工的过程中会应用到多种材料，例如塑料、钛合金等等，不同的原材料对工业的需求也有差别。
2薄壁零件的加工变形原因2.1残余应力因素薄壁零件中的残余应力是有两个方面组成的，一部分是毛坯残余应力，另一部分是加工过程中的残余应力。
例如在钛合金加工的过程中需要加热使得材料软化，导致了残余应力的产生，应力的释放会造成零件的变形，进而影响零件的质量。
2.2工件装夹因素为了应对加工的过程中零件出现的位移现象，技术人员会利用工件装夹对零件进行固定。
但是工件装夹产生的力也会对零件生产的精准度造成一定的影响。
因此，技术人员在设定工件装夹是要将其松紧调整到最优的模式。
基于ABAQUS的薄壁件装夹优选方案有限元分析
中图分 类号 ： Ｔ
Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｏｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ Ｃｌ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｏ ｆ Ｔ ｈ ｉ ｎ － ｗａ ｌ ｌ ｅ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｐ ｉ ｅ ｃ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＢ ＡＱＵＳ
文章 编 号 ： １ ０ ０ １— ２ ２ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５— ０ １ ０ １— ０ ３
； ｌ ：
基于 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ的 薄 壁 件 装 夹 优选 方 案 有 限 元 分 析
于 金， 史 玉祥 ， 刘成 林
（ 沈 阳航 空航天 大 学 机 电工程 学院 ， 沈阳 １ １ ０ １ ３ ６ ） 摘要 ： 对在 铣 削过程 中 因装 夹方 案 不 同引起 的框体 类 薄壁件 整 体 变形 的 影响 进行 了研 究。 采 用三 维
ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｃ ｌ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ｓ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｉ ｎｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｐｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｍｉ ｎｉ ｍｕ ｍ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ａ ｒ ｇｅ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ —
薄壁类零件装夹变形工艺控制
图1 主传动壳体三维图2018年第11期
2018年 第11期冷加工
表1 不同夹紧力矩、顺序条件下变形量对比 （单位：mm ）
夹紧顺序 力矩
1-2-3-4-5
1-2-4-5-3
1-4-3-2-51-4-2-5-3平均变形量
7N·m 工件加工过程中产生松动，力矩过小10N·m 0.0250.0250.0330.0300.02813N·m 0.0300.0260.0280.0480.03315N·m
0.035
0.030
0.055
0.060
0.045
（a ）装夹方案一（右端面无约束） （b ）装夹方案二（右端面有约束）
图3 工件装夹方案夹紧顺序
Technique soluTions 工艺方案
5.结语
本文通过对薄壁类零部件（主传动壳体）装夹力及装夹系统进行有限元分析，以装夹系统
壁件的装夹变形机理分析与控
制技术[J]．机械工程学报，2007，43（4）：211-216. [2] 汪振华，袁军堂，郑雷，黄建
表2 工艺流程及加工内容优化
更改前更改后
粗加工右端面孔粗、精加工右端面孔
精加工两端大孔及右端孔精加工两端大孔
图 4
（a）夹紧变形控制（b）辅助支撑变形控制
图 5
专家点评。
铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与探讨
铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与探讨摘要：在现代制造工业中，大量采用薄壁型整体结构件作为主要受力构件，如整体框、梁、壁板等，这些航空薄壁件大多结构复杂、相对刚度较低、尺寸精度要求较高，在数控加工过程中，常因残余应力、切削力、切削热、装夹力等因素的影响产生加工变形，甚至报废。
目前，国内外对薄壁件加工变形的研究很多，主要是借助有限元模拟技术对切削过程中薄壁件侧壁、腹板、整体变形进行加工仿真，预测其加工变形规律。
大部分研究者认为切削力引起的弹性变形是薄壁件侧壁和腹板加工变形的主要因素，而薄壁件整体加工变形主要是受残余应力的影响。
综合考虑残余应力、铣削力和铣削热等因素，研究了铣削加工顺序对框类薄壁结构件整体加工变形的影响.本文通过建立薄壁件加工全过程有限元模型，研究了在不同毛坯初始残余应力场分布情况下，残余应力和切削力耦合作用。
关键词：铝合金薄壁；加工变形；有限元仿真引言考虑在材料毛坯初始状态和构件形状处于初始板材的位置情况下，预测零件的最终变形；基于刚度与应力演变机制，借助实验和有限元模拟方法建立了整体结构件的加工变形预测理论模型。
目前，构件变形预测多是基于非线性有限元仿真研究，仿真建模与实验存在一定差距。
因此，开展基于加工变形的薄壁件力学模型研究，建立应力分布与变形的数学关系，对指导初始加工材料的选择，加工工艺的确定以及表面处理工艺的制定有重要意义。
1.试验条件及方案1.1试验条件模态试验系统由激振系统、激励响应采集系统和数据处理系统三个部分组成。
激振系统采用力锤,激励响应采集系统包括加速度传感器与数据采集系统，加速度传感器选用型号为PCB352A21,数据采集系统采用LMS SCADAS Mobile移动式数据采集系统LMS b。
1.2试验方案试验采用锤击激振法，用力锤敲击铝合金薄壁件上的某一激振点。
力锤上安装有力传感器，用以拾取激振力信号，加速度传感器安装在薄壁件的激振点上，用以拾取响应信号。
铝合金薄壁件模态试验现场，用夹具与垫块将薄壁件悬空固定。
薄壁零件变形分析及改进建议
薄壁零件变形分析及改进建议薄壁零件变形分析及改进建议摘要：随着我国社会主义经济的快速发展，各行各业都呈现繁荣景象。
由于薄壁零件具有质量轻、节约材料、结构较为紧密等优良特点，而被广泛应用于机械加工行业。
但是薄壁零件具有口小内大、薄壁、刚性差的缺陷，极易在机械加工过程中发生振动和形变，致使加工过程不能保证加工精度。
通过对薄壁零件进行反复的实验，找出在加工过程中零件发生形变的解决策略。
本文从实际出发，总结和分析了薄壁零件易发生振动和变形的原因，阐述了控制加工过程中薄壁零件发生振动和变形的有效方法，从而保证加工的精度。
关键词：薄壁零件；变形；分析；方法；前言由于薄壁零件具有刚性差、易变形的特点，严重影响了机械加工的精度。
薄壁零件的加工易变形的问题一直是困扰着机械加工行业的主要难题。
为此，许多国内外的专家学者通过反复的实验和验证，建立了多种动态或静态模型，采用先进的有限元技术对加工过程中的刀具和工件进行分析，并依据结论提出了改进加工的有效方法，从而使得薄壁零件的加工工艺有了一些进步。
但在实际生产过程中，我们需要对加工过程中出现的实际变形情况，采用不同的控制措施，以取得较好的生产效率。
影响薄壁零件变形的主要因素在机械加工过程中薄壁零件发生振动和变形的原因多种多样，具有各个方面的影响因素，首先就是在进行零件的设计时，要对零件的结构、工艺性及刚性进行充分的考虑，不断提高薄壁零件的刚性，尽可能的避免加工过程中零件变形，还要保证薄壁零件的对称结构和均一厚度。
在进行零件加工时，选择消除了内应力的毛坯材料。
2.1工件的装夹条件因为薄壁零件具有较差的刚性，在进行加工过程中，如果夹紧力和承受力的作用位置选择不合适，就会增加薄壁零件的内应力；夹、压所产生的弹力极易造成变形，从而影响了零件的表面尺寸、形状和精度，进而导致薄壁零件的变形。
因此，对零件的装夹、定位的合理设计，有助于降低变形的可能性，充分保证加工质量。
2.2加工的残余应力在机械加工过程中，对零件进行加工时会造成刀具与零件的挤压、刀具前刀面和后刀面与已加工表面的挤压、摩擦等作用，从而增加了薄壁零件内部的加工残余应力。
航空铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析
第42卷第3期2008年3月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal o f Zhejiang U niv ersity (Engineer ing Science)Vol.42No.3M ar.2008收稿日期:2006-08-02.浙江大学学报(工学版)网址:w w w.journals.z /eng基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50435020);国家/8630高技术研究发展计划资助项目(2006AA04Z147).作者简介:毕运波(1979-),男,江苏江宁人,博士.从事CAD/C AE /CAM 、加工过程仿真等研究.E -mail:z jubyb@通信联系人:柯映林,男,教授,博导.E -mail:ylke@航空铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析毕运波,柯映林,董辉跃(浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027)摘 要:综合考虑薄壁件粗精加工工序,建立了薄壁件铣削加工全过程三维有限元模型,系统地研究了残余应力施加、切削力建模及动态加载、材料去除等加工过程建模所涉及的关键技术.通过自行构建的加工仿真平台,对处在不同毛坯初始残余应力分布情况下的薄壁件分别进行了加工过程模拟.仿真结果表明,加工过程中残余应力对切削力引起的薄壁件加工变形具有重要影响,较大的初始残余应力导致薄壁件侧壁首末自由端附近产生加工变形波动,容易引起或加剧切削振动,严重影响其加工精度及表面质量.关键词:薄壁件;加工变形;残余应力;加工过程仿真中图分类号:T P391;T H 123.2 文献标识码:A 文章编号:1008-973X (2008)03-0397-06Finite element simulation and analysis of deformation in machiningof aeronautical aluminum alloy thin -walled workpieceBI Yun -bo,KE Ying -lin,DONG Hu-i yue(College of M echanical and E ner gy Engineering ,Zhej iang Univer sity ,H angz hou 310027,China)Abstract:In comprehensively consideration of the ro ug h -and finish -machining pro cesses,a three -dimen -sional finite elem ent mo del w as dev elo ped for the w hole m illing pro cess of thin -w alled w orkpiece.Somekey techniques including residual str ess imposing,cutting fo rce modeling and dynam ic loading,m aterial re -m oval and so o n w ere discussed.By a prototype ver sion of the developed simulation environment,different milling processes of thin -w alled w orkpiece w er e simulated under the conditio ns of different initial residual stress distribution in blank.Simulatio n show s that the r esidual stress has g reat effect on the machining de -form ation caused by cutting fo rce.Greater magnitude of initial r esidual stress r esults in the deformation v-i bration near the tw o free ends of the side w all,and it can lead to or increase the m achining vibration w hich w ill influence the m achining precisio n and surface quality seriously.Key words:thin -w alled w orkpiece;machining deformation;r esidual stress;machining pro cess sim ulation 在现代航空航天工业中,大量采用薄壁型整体结构件作为主要受力构件,如整体框、梁、壁板等.这些航空薄壁件大多结构复杂、相对刚度较低、尺寸精度要求较高,在数控加工过程中,常因残余应力、切削力、切削热、装夹力等因素的影响产生加工变形,甚至报废.目前,国内外对薄壁件加工变形的研究[1-5]很多,主要是借助有限元模拟技术对切削过程中薄壁件侧壁、腹板、整体变形进行加工仿真,预测其加工变形规律.大部分研究者认为切削力引起的弹性变形是薄壁件侧壁和腹板加工变形的主要因素,而薄壁件整体加工变形主要是受残余应力的影响.更进一步,黄志刚等人[6]综合考虑残余应力、铣削力和铣削热等因素,研究了铣削加工顺序对框类薄壁结构件整体加工变形的影响.本文通过建立薄壁件加工全过程有限元模型,研究了在不同毛坯初始残余应力场分布情况下,残余应力和切削力耦合作用对加工过程中薄壁件侧壁精加工变形的影响规律.1 薄壁件铣削加工有限元仿真模型1.1 薄壁工件有限元建模选择悬臂板结构的典型薄壁件作为加工模拟对象.图1(a)所示为薄壁件毛坯的几何模型,该方形毛坯经粗加工切除多余材料Ñ和Ò,再经精加工切除材料Ó后,最终得到如图1(b)所示的成形薄壁件.工件的初始毛坯网格模型由六面体单元和五面体单元混合组成(如图2).为了比较真实地建模精加工阶段刀具-工件的接触面,用五面体楔形单元剖分多余材料Ó,而毛坯的其他部分采用六面体单元.五面体单元和六面体单元在刀具进给方向(+Y )和刀轴方向(+Z )的长度相等.为简化计算,网格单元沿进给方向的长度尺寸等于瞬时加工表面宽度d w ,其值由下列公式计算得到:d w =R 2-(R -a e )2=2R a e -(a e )2.(1)式中:R 为螺旋齿圆柱立铣刀半径,a e 为精加工阶段刀具径向切削宽度.网格单元沿刀具轴向的尺寸与d w 相等或相近.考虑薄壁件实际加工过程中广泛采用真空吸盘吸附夹紧的方式,工件底面与工作台台面充分接触.因而,在有限元建模时约束工件底面所有网格节点的平动自由度.另外,在建立工件材料模型时,充分考虑加工过程中可能产生的塑性变形,假设在整个加工过程中材料处于弹塑性变形状态.1.2 初始残余应力的施加残余应力是指在没有外力作用的情况下,物体内部保持平衡而存留的应力.加工前,工件内的残余应力处于自平衡状态,即工件内任一截面内的合力与合力矩满足Q R rd A =0,(2)Qd M =0.(3)式中:R r 为残余应力,M 为力矩,A 为截面面积.在零件铣削加工过程中,随着多余材料的不断切除,初始残余应力场的平衡状态不断被打破,工件只有通过变形才能达到新的平衡状态,因而在研究薄壁件加工变形时,应考虑残余应力因素的影响,使所建立的分析模型更准确.要研究残余应力引起加工变形的规律,必须首先测试出零件加工前毛坯初始残余应力的分布情况,进而作为加工仿真的初始条件施加到有限元模型中.目前,残余应力的测试方法很多,但均存在局限性,特别是在测量材料内部三维残余应力场分布的时候.如果毛坯几何形体复杂,残余应力分布没有规律,即便能够准确测量毛坯的初始残余应力场,也很难将其准确施加到有限元模型中.文献[6]视铝合金预拉伸板7050T 7451内部残余应力沿厚度方向均匀分布,因而在建模时,将测量得到的残余应力分层施加到有限元模型中.分层施加法适用于残余应力分布规则、几何形体简单的模型,且施加精度与毛坯厚度方向网格划分疏密相关.本文采用有限元法模拟零件加工前材料的淬火热处理及预拉伸工艺,计算得到零件内的初始残余应力场分布.对于有限元数值模拟淬火残余应力的形成过程,可分为热和力两部分进行准耦合分析:先进行热传导分析,采用瞬态热传导方程求解淬火过程的温度场,并根据已求得的瞬态温度场来修正该瞬时的材料弹塑性性质,忽略塑性变形对瞬态温度场的影响;再读入前面分析得到的温度随时间变化的温度场,进行瞬态热应力场分析,从而实现准耦合模拟[7].淬火残余应力场就是工件温度冷却至室温时热应力场的最终状态.预拉伸消除残余应力模拟则是在淬火模拟结果的基础上,约束工件垂直于拉伸方向的一个端面在该方向上的自由度,并给予另一个端面沿拉伸方向一个位移值(预拉伸量),同时保持淬火模拟过程中的三点约束.经过上述模拟,可以得到工件毛坯淬火以及淬火后对应不同预拉伸量的残余应力场分布.398浙 江 大 学 学 报(工学版)第42卷1.3 切削力建模及其动态施加采用刚性力学模型进行切削力预报,尽管柔性力学模型预测精度更好,但不同切削力模型对同一切削过程的切削力和表面误差预测结果具有很好的一致性[3],因而刚性力学模型亦能很好地预测薄壁件加工变形规律.如图3所示,建立刀具坐标系ox y z ,z 轴正向为刀轴矢量方向,x 轴正向为刀具进给方向.从微观角度出发,将螺旋切削刃划分为轴向等距的微段切削刃(刀齿微元).在切削过程中,当刀具位于第j 个旋转角度位置时,第i 个刀齿上第k 个刀齿微元所处的空间位置角定义为图3 螺旋齿圆柱立铣刀顺铣加工示意图F ig.3 End mill g eo metry of dow n -milliug<(i,j ,k)=j $H -(i -1)<c -k d z +d z 2tan Ah R .(4)式中:<c 为齿间角,<c =2P /N f ,N f 为刀具齿数;d z为刀齿微元的轴向长度;$H 为刀具旋转角增量;A h 为刀具螺旋角.参与切削的每个刀齿微元在其角度位置<(i,j ,k)处瞬态微元切削力沿切向、径向和轴向的分力分别为d F T (i,j ,k)=K T h(i,j ,k)d z ,(5)d F R (i,j ,k)=K R h(i,j ,k)d z ,(6)d F Z (i,j ,k)=K Z h(i,j ,k)d z .(7)式中:K T 、K R 、K Z 为切削力系数,可通过切削力试验数据标定;h(i,j ,k)为瞬时未变形切削厚度,在进给量远小于铣刀直径的情况下,铣刀刀尖的轨迹可以近似为圆(如图3),其值可定义为h(i,j ,k)=f z sin (<(i,j ,k)),<(i,j ,k )I [<st ,<ex ];0, 其他.(8)对于顺铣加工,<st =P -8,<ex =P ,f z 为每齿进给量,8为刀具径向沉浸角(immersion angle ),8=ar ccos (1-a e /R).将刀齿微元所受切削力分解到刀具坐标系ox y z 的3个坐标轴方向,则d F x (i,j ,k)=-d F T (i,j ,k)cos (<(i,j ,k))-d F R (i,j ,k)sin (<(i,j ,k)),(9)d F y (i,j ,k)=d F T (i,j ,k)sin (<(i,j ,k))-d F R (i,j ,k)cos (<(i,j ,k)),(10)d F Z (i,j ,k)=-d F Z (i,j ,k).(11)刀具以微小的增量角旋转,计算并累加所有处在切削区域的刀齿微元所受的切削力,即得到刀具位于第j 个旋转角度位置时总的切削力.工件所受切削力与刀具所受切削力大小相等,方向相反,再通过坐标转换,得到工件坐标系OX YZ 下工件所受切削力.在进行有限元计算前,首先将刀具沿进给方向的连续走刀过程离散成若干个刀位.由于刀具转速远大于进给速度,假定在每个进给刀位处,刀具轴线固定不动,刀齿移动,直至切出工件,形成己加工表面.在薄壁件精加工阶段的每个刀位处,首先进行材料去除仿真,模拟得到重新分布的工件残余应力场;然后固定刀具轴线,并以一定的旋转角增量$H 旋转,在每个旋转角位置处,根据上述切削力模型,计算得到作用在切削区域内每个刀齿微元上的切削力,并将其平均等效离散施加到该刀齿微元中点在工件表面的投影点所在网格面的4个节点上;最后,由有限元计算得到加工表面生成点的变形.经过若干次旋转,即可得到当前刀位处沿轴向方向上所有加工表面生成点的变形.图4所示为某时刻切削力动态施加示意图,虚线代表刀具有效切削刃在工件网格模型上的投影,实心网格节点代表切削力等效作用在工件上的所有网格节点,P 点为当前加工表面生成点,其加工表面误差为e(P )=u r (P ).(12)式中:u r (P )为表面生成点P 处工件变形沿刀具径向的投影(图4中的刀具径向为X 轴正向).对于薄壁件粗加工阶段,切削力建模及施加方法同上,唯一不同之处在于粗加工阶段是用六面体网格单元简化被去除的多余材料[6].图4 切削力动态施加示意图F ig.4 Schematic diag ram of cutting fore loading2 加工过程动态物理仿真2.1 切削力系数标定合理安排切削力试验,工件材料为航空铝合金399第3期毕运波,等:航空铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析7050T7451预拉伸板,其力学性能参数如表1所示,表中,E为弹性模量,R0为屈服强度,R t为抗拉强度, R s为剪切强度,Q为密度,T为泊松比.刀具为516的两齿整体硬质合金立铣刀,螺旋角A h=30b.切削试验是在FIDIA H S664RT五轴联动高速加工中心上进行的,切削力测量采用Kistler9257B型三向压电式测力仪,整个试验过程处于干铣削状态,不加冷却液.假设切削力系数为平均切屑厚度的指数函数[2],其标定结果如下:K T=272.06# h-0.3918,K R=153.78# h-0.1623,K Z=113.53# h-0.0710.表17050T7451铝合金的力学性能参数[8]T ab.1M echanical pro per ty o f AL7050T7451E/ GP a R0/M PaR t/M P aR s/M P aQ/(kg#m-3)T69.35449.5517.6730528300.332.2毛坯初始残余应力场施加采用DELL Precision670高性能工作站作为数值模拟的硬件平台,对铝合金7050进行淬火热处理及预拉伸工艺有限元模拟,计算得到对应于不同预拉伸量的残余应力场分布,并将其映射到铣削加工过程模拟所建立的有限元网格模型中,定性地表示铝合金7050板材在T7451变形状态下对应于不同预拉伸量的残余应力场.本文分别模拟得到铝合金7050经淬火后预拉伸1%、2%和3%等3种不同状态下的毛坯残余应力场分布.2.3加工全过程有限元仿真如图1所示,薄壁件毛坯的几何尺寸为85.34 mm@150mm@56mm,加工成形后l=41.34m m, t=4m m,h=20mm.采用八节点六面体单元C3D8和六节点五面体单元C3D6对模型进行网格剖分.薄壁件粗精加工工序所采用的铣削参数见表2.表2薄壁件铣削加工参数T ab.2M illing par ameters of thin-w alled w or kpiece工序n/(r#min-1)v f/(mm#min-1)a p/mma e/mm粗6000180038精900180036 1.34整个模拟过程是在自行构建的加工过程动态物理仿真系统平台上进行的.该仿真平台含有一个刀位轨迹文件解析模块,用于读取刀位轨迹文件,定义加工过程仿真中有限元网格动态去除的路径,实现与CAM系统的数据交互.这里的刀位轨迹文件为通用CAD/CAM系统所输出的以标准APT语言格式定义的文本文件,目前系统可以解析UG/CAM 系统生成的刀位源文件(cls文件).在仿真过程中每个刀位处针对若干个旋转角增量,分别施加切削载荷,进行有限元计算,从而实现仿真过程的自动化.系统采用非线性功能强大的有限元求解器ABAQUS/Standard作为分析计算模块.图5所示为薄壁件铣削加工全过程三维动态物理仿真流程图.图5加工过程有限元仿真流程图F ig.5Flow char t of milling process simulatio n3仿真结果与分析在毛坯上取垂直于Y=75mm处的中间截面,因为对称性,只显示截面的部分残余应力场分布情况(如图6).比较发现,淬火及预拉伸后,毛坯残余应力的分布规律相似.淬火后,残余应力总体上呈/外压内拉0分布,Mises应力最大值为208.8MPa,且沿拉伸方向的最大拉应力和最大压应力分别为117.2M Pa和249.8M Pa.在施加均匀的拉应力使之产生塑性变形后,残余应力得到松弛,数值随拉伸量的增大而减小.当预拉伸3%时,表面依然为压应力而内层为拉应力,沿拉伸方向的最大拉应力和最大压应力分别降至29.58M Pa和54.79M Pa.可见,预拉伸工艺能有效抑制和消除高强度铝合金板内部残余应力,这也是预拉伸铝合金厚板被广泛应用于航空整体结构件制造的主要原因.基于上述仿真结果,进而模拟得到薄壁件毛坯在无残余应力、淬火后预拉伸分别为1%、2%和3%等4种初始残余应力场分布情况下,铣削加工全过400浙江大学学报(工学版)第42卷图6 毛坯淬火及预拉伸后残余应力分布云图F ig.6 R esidual st ress dist ributio n o f blank after quenchingand pr e -st retching程的应力场和变形场分布.图7所示为淬火后预拉伸的薄壁件毛坯粗加工后的M ises 应力分布云图,从图中可以看出,铣削加工过程改变了工件毛坯内的残余应力分布状态,工件侧壁残余应力由加工前沿Y =75m m 中间截面对称分布变成非对称分布,工件底部由于约束作用产生应力集中.淬火后预拉伸2%和3%的毛坯粗加工后也呈现相同规律的残余应力分布.如果加工完成后去除零件装夹约束,残余应力缓慢松弛和重新分布,变形能得到释放,将会引起工件的整体加工变形[5-6].在精加工侧壁时,刀具在任一进给位置处,由于铣刀螺旋角的存在,加工表面变形最大的位置不在顶端,而在距离顶端一定位移处.考察侧壁型面上Z =50mm 处沿刀具进给方向的一组加工表面生成点的变形情况,得到图8所示的加工误差分布图.由图可知,在不考虑残余应力作用的情况下,铣削薄壁两端时加工变形最大,且末端处比首端处大,这是因为薄壁件侧壁首末端的刚度较低,因而加工变形较中部大,且当薄壁铣削到末端时,由于已基本加工完成,刚度比铣削首端时更小,加工变形更大.考虑在毛坯初始残余应力的情况下,随残余应力值增大,薄壁首端附近处加工变形产生由小变大再变小的过程,且波动幅度逐渐增大,因此,由于残余应力的存在整体上起到加剧变形的作用;在接近末端处,加工变形经历由大变小再变大的过程,残余应力起到抑制加工变形的作用.可见,在侧壁首末端附近,残余应力的存在对切削力引起的薄壁加工变形产生重要影响,容易引起变形波动.变形波动会使切削加工不稳定,导致更大的加工误差,严重影响薄壁件加工精度及表面质量.在铣削薄壁件中间部分时,加工变形较首末端小,且变化平缓.这是由于在铣削中间段区域时,工件抗弯刚度较大且相近,与首末端边界条件的相关性不大,因而加工变形较小.即使考虑了在残余应力作用的情况下,由于抗弯刚度大,材料去除引起的残余应力变化对切削力引起的局部加工变形的影响也很小,切削过程稳定.综合上述模拟结果及分析可知:在切削过程中,材料去除引起工件内部残余应力变化,而切削力作用又引入新的应力,两者耦合作用后达到新的平衡状态,导致薄壁件侧壁产生复杂加工变形,且在切削力的作用下,残余应力对抗弯刚度较小的侧壁首末自由端局部加工变形的影响较大,而对抗弯刚度较大的其他部位的影响很小.实际铣削过程是一个断续切削过程,刀齿受到的机械冲击较大,机械冲击使切削力有波动,容易引401第3期毕运波,等:航空铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析起振动.具体针对薄壁件侧壁精加工,在开始切入和切出部分切削振动较大,振纹比较明显,而在工件中间部分振动相对较弱[9].由图8模拟结果分析可知,在较大的初始毛坯残余应力分布情况下,切削力引起侧壁首末端附近加工变形波动,而变形波动必将反馈且影响到切削力的动态波动变化,加剧切削振动.切削振动不仅恶化零件加工表面质量,还会降低机床、刀具的使用寿命,这是在高速铣削过程中要极力避免的.另外,当薄壁件毛坯淬火后预拉伸3%时,侧壁加工变形接近无残余应力状态下的变形,且不产生变形波动.可见,薄壁件毛坯选用铝合金预拉伸板材可有效抑制切削加工振动.4结论(1)所建立的薄壁件铣削加工有限元模型,考虑了粗精加工阶段材料去除引起的毛坯初始残余应力重新分布和切削力的综合作用对侧壁加工变形的影响,较已有的有限元模型,加工过程模拟更贴近工程实际.(2)较大的毛坯初始残余应力分布将导致加工过程中薄壁件侧壁首末自由端附近产生加工变形波动,容易引起或加剧切削振动,因此必须严格控制毛坯初始残余应力,抑制其对加工变形的影响.(3)铣削加工过程动态物理仿真有限元模型有待进一步完善.薄壁件加工变形受残余应力、铣削力、铣削热、装夹以及加工工艺等综合因素的影响,需要进一步考虑各种因素的影响,完善目前的有限元模型,使三维加工过程仿真更加真实,模拟结果更加可靠.参考文献(References):[1]BU 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