1、2007年2月第35卷第2期机床与液压MACHINETL&HYDRAULICSFeb.2007Vol.35No.2基于ABAQUS的典型薄壁件加工变形仿真与试验研究敖志强，吴建军，王仲奇，康永刚，胡凯征(西北工业大学机电工程学院，陕西西安710072)摘要：介绍了薄壁件铳削加工受力模型和有限元法在薄壁件铳削加工中的应用。针对薄壁零件铳削加工中的变形问题进行了研究，设计了有限元分析的加载过程与方法。结合铳削加工试验，并运用ABAQUS有限元分析软件，获得典型薄壁件加工变形的基本规律，为进一步研究控制薄壁件加工变形方案提供了依据。关健词：薄壁件；加工变形；有限元模拟；腹板中图分类号：TG506文献
2、标识码：A文章编号：1001-3881(2007)2TH5-4StudyontheMachiningDeformationbyFiniteElementMethodandExperimentforTypicalThin-wallComponentsUsingAbaqusAOZhiqiang,WUJianjun,WANGZhongqi1KANGYonggang.HUKaizheng(SchoolofElectromechanics5NorthwesternPolytechnicalUniversity,XianShaanxi71(X)72,China)Abstract:Themillingfor
3、cemodelandtheapplicationofthefiniteelementmethodinmillingofthin-wallcomponentsWereintro-duced,theloadingmethodandprocesswasdesignedforthemachiningdefonationofthethin-wallcomponentsinendmillingOntheAbaqusFEMsoftwareandrelatedexperiments,themachiningdeformationmlesOftypicalthin-wallcomponentswasobtain
4、edandtheresearchprovidesgoodreferencefortheRirtherstudyOfcontrollingmachiningdistortionOfthin-Wallmponents.KeywordsrThin-Wallcomponents;Machiningdeformation;FiniteelementSimUIation;Thin-Web基金项目：国家自然基金重点资助项目(50435020)随着对航空产品性能要求的进一步提高，薄壁零件在航空工业中广泛使用，这类零件结构复杂，精度要求高，外形协调难，零件外廓尺寸相对截面尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低，在切
5、削力的作用下，容易产生“让刀现象”，从而发生加工变形，造成侧壁上厚、下薄、尺寸超差等现象、加工工艺性差。由于铳削力是引起薄壁件加工变形的主要因素，很多文献对切削力引起的加工变形进行了研究。但目前对薄壁件加工精度的研究，还有许多不清楚的地方，很多研究工作往往只针对特定结构和加工条件建立受力模型，为控制铳削残余应力的产生提供理论依据，但由于无法预测零件加工的整体变形，实用性有限。因此，为了从根本上提高大型整体结构件的加工精度，必须进行数控铳削加工变形产生机理的理论研究，通过有限元模拟技术比较准确地预测工件的加工变形。针对典型薄壁件本文首先介绍了铳削加工受力模型和有限元法在薄壁件铳削加工中的应用，针
6、对薄壁零件铳削加工中的变形问题进行了分析研究，确定了有限元分析的加载方法和过程，然后以此为基础基于AbaqUS建立典型薄壁件的有限元分析模型，应用有限无法分析加工中工件的变形情况，获得了典型薄壁件加工变形的基本规律，最后通过加工试验验证了有限元模型的有效性。1薄壁件受力分析模型图1为铳削过程示意图，铳削力的大小和总的切图1铳削过程分析示意图削面积有关，将总的切削面积划分为图示微单元，通过计算所有处在切削区域的每个单元受力状况，可获得铳削力的空间分布状态。单元铳削力可以分解为切向铳削力DF,和径向铳削力DF(2),并有如下关系：DF7=K7DrtDF=K1DFrtK7=c(t,),其中D,是单元
7、的轴向宽度，to是单元厚度，为了计算方便，将单元力分解到X、Y方向(见图1),这样铳削方式为顺铳时可建立求解方程：riii,-MAZl)*K2D,f,cosn(ij,k)sin(iJ,k)N,(1)4靛加WWsaJM)k)l+K7D,f,sin2(ij,k)N,(2)其中：F.、F,分别为X、Y方向上的平均切削力，K7、K4是根据试验得出的常量。N,为对每齿角度空间划分的角度个数，N,为单元数，N,为刀具齿数，f,为每齿进给量，11（ij,k）为刀具处于第j个角度增量位置时，第k个刀齿上第i个微单元所处的空间位置角。为了计算Z向力，首先引人轴向单元力计算表达式：DF4=K,DFtana其中：D
8、F4表示单元的轴向切削力，为刀具螺旋角，K,为轴向常量，这样得到Z向平均力表达式:FJ小Qf”C）可见，利用式（1）、（2）、（3）组成的力学模型即可预测X向、Y向、Z向3个方向上的铳削力。2薄壁铳削加工仿真的加载在铳削加工过程中由于同时伴随进给运动和旋转运动，铳削过程是极其复杂的，在现阶段，计算机还无法真实再现实际加工中刀具的旋转、进给复合运动。必须找出一种模拟加工过程的方法，既便于分析计算，又能反映出实际的受力和变形，所以加载过程比较关键。以双刃立铳刀铳削加工为例，由于刀具转速远大于进给速度，所以可以假定在某一进给位置，刀具轴线固定不动，而刀齿沿加工表面由下向上移动，直至切出工件，即在某一
9、瞬时对框壁可以施加沿螺旋线方向的动态变化的切削载荷。也就是说，铳削过程中刀具旋转运动与进给运动可以实现分解，这样就简化了加工过程。另外，假设铳削过程为单齿切削，即加工过程中与工件接触的刀具齿数始终为一个齿。切削加工过程中，铳刀与被切削材料之间的相互作用，可以通过动态切削力载荷的形式表示。当刀具进给到某一位置时，铳刀的刀齿开始由下向上切削，其过程可以离散为线载荷对工件的作用。由于在有限元模型中，对于阶次较低的单元，可以按静力等效原则，这样我们就可以简化为将载荷分配在各个节点上9）。在实际模拟时，通过节点加力载荷来完成切削力施加。在不同的时刻，刀具处于相对于工件的不同位置，其受力状况也不同。具体受
10、力状况根据上面的空间力学模型进行计算。在实际铳削加工时，每齿切削去除材料的过程见图2。图中阴影部分描述了逆铳加工时，切削厚度随刀齿所在位置不同而产生的变化。从图中亦可看出，由于铳削刀具螺旋角的存在，使切削刃与工件加工表面的交线与刀具轴线成一定角度。这些因素都给加工过程的模拟带来了极大的困难。为了去除螺旋角的影响，顺利实现铳削模拟，对材料去除过程进行适当的简化，如图3所示。图3建模中简化的材料去除过程3薄壁件立铳加工变形分析基于ABAQUS有限元分析软件对刀具和工件进行有限元建模，在有限元分析过程中要考虑刀具材料去除部分对整体工件刚性的影响，用非线性有限元方法进行分图4刀具和工件的有限元模型析，
11、所以工件单元选用体单元，而刀具简化为刚性相,当的圆柱体进行建模，同时在建模时应考虑薄壁壁厚的影响，本例中采用刀具直径为12mm,悬伸长度为40mm,工件材料为航空铝合金707577451,材料常量分别为6：E=71.3GPa,=0.33,a2=395MPa,o=495MPa,选取经典的双线性随动强化模型。为了方便分析，选用规则的三维立体单元网格划分，指定每条边单元的划分个数。添加约束时，对工件约束最下端截面，刀具约束最上端截面，约束所有自由度。建立的有限元模型如图4所示。图中薄壁模型的尺寸为：长80mm,高30mm,厚度为4mm。具体的有限元模拟过程如下：在X向（进给方向）某一位置，刀具轴线固
12、定，并以一定的角度增量旋转，在每一旋转位置，经过有限元分析计算均可计算出相应节点的变形。这样，经过n次旋转，共旋转。角，这一轴线上所有节点的位移便全部得出：然后，刀具沿X向前进到下一轴线位置，重复上述计算过程，直至工件的最边缘。这样，被加工工件的变形便全部被记录下来。上述计算过程运用ABAQUS有限元分析软件，结合受力模型源程序实 17敖志强等：基于ABAQUS的典型薄壁件加工变形仿真与试验研究现。图5加工变形试验加工工件图为研究薄壁件加工变形规律及验证模型，采用相同的工件尺寸进行切削试验，试验切削用量为：主轴转速n=5(XX)rmin,每齿进给量f,二0.Imm/齿，轴向切深图6薄壁试验结构
13、示意图a,=30mm,径向切深a,=2mm。试验在JoHNFORDVMC-850三坐标数控铳床上进行干切削，切削试验完成以后，用干分表在加工面上x=15mm,x=40mm,x=65mm三处轴线位置自上而下测量的变形数据，测量间距为2mm,据此数据绘制变形图如图7。乙向测点Zmm-65三n处Z向测点/ran图7薄壁加工试图8有限元计算与验变形图试验对比图从图7数据可以看出：在工件下端，三个位置变形相差不大，而上端差别较大，这是因为对于每个位置处随着切削的进行，一部分材料被去除，工件上端刚性急剧减小，导致变形增大，而下端刚性相对较为稳定。在x=65mm处工件的刚性最小，故变形最大。同时可以看到在工
14、件最上端，变形非常小，这是由于此处切削面积急剧减小所致。另外从图8中可以看出有限元计算与实测值的相对误差较小。4腹板加工变形分析腹板作为薄壁件的重要特征，其变形在航空制造中非常普遍，变形形式多样化且较难控制，所以研究腹板加工变形规律非常必要。通过分析可知，腹板主要是在Z向切削力的作用下发生加工变形，所以本文中均以Z向切削力作为腹板加工中的切削力进行分析计算。其受力大小采用受力模型中的式(3)进行计算，进而通过有限元分析，可以计算出腹板相应位置的加工变形。但要得到腹板的加工变形规律，不可能也不必要对腹板上所有的点进行受力变形分析计算，而只需选取腹板上一些具有代表意义的关键点进行计算即可。这样，如
15、何选取关键点位置并计算该位置的受力大小就成为解决问题的关键(”)。进行变形分析计算时，在每个关键点处，分析刀具切削至该位置时，哪些材料已去除，那些还没有去除，建模是给以不同的厚度，进行非线性有限元分析。同时，还要判断该关键点处的切削特征(直边、拐角)，并根据上述力的模型计算切削力的大小，以此作为加载的依据。这样，通过计算所有关键点的变形，即可以得到腹板全部变形特征。图9中所建立的腹板模型尺寸为：长L=80mm,宽W=60mm,厚度为4mm,其中K=8mm.F=4mm,L=L-W=20mm,R=10mmo工件材料为航空铝合金7075-T7451,杨氏模量E=71.3GPa.泊松比=0.33,。a
16、2=395MPa,4=495MPa,选取经典的双线性随动强化模型。其中带箭头的实线表示刀具外轮廓线的运动轨迹，以此作为建模依据,图11中各虚直线交叉点即为建模关键点。直线末端数据表达式为该直线所在位置的X坐标或Y坐标，其中，R为刀具半径。因为结构对称，只给出正半轴各直线所在位置。建立模型时，为了能使关键点位置尽可能体现变形的最大值，其坐标设置应和切削用量联系起来。本例中体现在对于不同的径向切深a,关键点的坐标设置有所不同。当a,R时，取相邻刀齿运动轨迹的中间位置设立关键点；而当a。R时，取刀具中心轨迹所在位置设立关键点。图11中表达式为a,VR时关键点坐标的算法。可以看出，模型的建立是与加工方
17、法紧密联系在一起的。对于不同的走刀轨迹，需要相应调整各关键点坐标的算法进行建模。以相同的加工条件进行腹板加工试验验证，刀具选用整体合金20nm的双刃立铳刀,螺旋角30。切削用量:a=1.5mm,a,=8mm,f,=().()5mmz,n=5(XX)rmin,铳削方式为顺铳，走刀方式采用由内向外环切法，即刀具在框体中部下刀，逐渐外旋，直至加工完毕，以下刀点作为计算关键点坐标的坐标原点。加工后在三坐标测量仪上分别测量A、B、C、D、E、F、G、H、I线上的相关点，考察腹板加工的变形情况。计算结果与试验测量结果如图1214图9腹板的有限元模型图10加工完毕腹板工件图图11腹板试验结构示意图图1 2腹
18、板实验测量Z向变形图一测量值-计算直J40.M-2IO 0 IO 20 M 40X向坐标/ran-三三三-TTBUl40-30-20-1001020三40X向坐标Zmm图13B位置处计算图14F位置处计算变形和实验测变形和实验测量变形对比量变形对比从图中可看出，有限元计算值与试验测量值比较接近，这说明建立的腹板受力变形分析模型是正确的，可以在此基础上分析变形规律。同时可以看出，各直线位置处变形并非简单的抛物线型。在不同的关键点处，受力大小不同，腹板的刚性也不同，导致的腹板变形起伏也较大。对变形规律总结如下：若关键点所在位置经过拐角处，因为受力较大，该位置的变形较大，所以变形图出现若干的小突起。
19、若关键点所在位置处于刀具的切出点处，因为受力较小，该处的变形较小；若关键点所在位置处于刀具中心轨迹(就本例而言)所在位置，因为受力较大，该处的变形较大。本例中最大变形点出现在D位置-15处。因为该位置处受力较大(处于刀具中心轨迹位置，切削力大)，而且随切削进行，切削至该位置时薄壁比例有所增加，刚性减弱，所以变形较大。AlO部位变形最小，是因为该处位于刀具的切出位置。刚开始切削时，腹板中心附近刚性较好，所以中心处各点变形相对于同一直线上其它点的变形较小(如直线A、B);随向外环形切削，薄壁所占比例不断增加，中间部位刚性减弱，变形逐渐增加，而距离约束较近的两端变形相对较小，直线上各点变形规律呈抛物
20、线形状(如直线H)。5结论根据以上分析，可以得出如下结论：(1)本文采用的受力模型、有限元加工变形分析模型和变形分析方法能正确地分析薄壁零件的加工变形。(2)从侧壁变形曲线分析可知，在不同的加工位置，由于结构的非线性变化，变形有较大的差异：但变形曲线有共同的规律，即在最底端，变形主要来源于刀具的倾斜，由底端向上，工件的倾斜成为变形的主要因素，且呈抛物线变化趋势；在最上端，工件变形急剧减小，加工时可采取刀具适当倾斜的方法来进行数控补偿。(3)工件材料、腹板结构尺寸及铳削用量都会影响腹板的变形。在铳削力大和刚性小的位置会产生大的变形。当径向切深大于刀具半径时，位于刀具中心处腹板变形较大，当径向切深
21、小于刀具半径时，相邻刀齿运动轨迹的中间位置变形最大。而在刀具运动轨迹拐角处铳削力大，变形也较大，刀具切出点处铳削力较小，变形较小。初始切削位置处刚性较好，变形较小，随切削进行，薄壁所占比例不断增加，刚性逐渐减小，变形也逐渐增加，距离约束较近的位置变形较小。参考文献11航空制造工程手册总编委员会.航空制造工程手册(飞机机械加工、框架壳体工艺)M.北京：航空工业出版社，1995.2 KlineW.A.,DevorR.E.,LidbergR.ThePredictionofCuttingForcesinEndMillingwithApplicationtoCorneringCutsJ.Internat
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24、次的第一层，其中主开发任务流作为整个开发项目的基准性流程，起到承上启下的作用，在此基础上可进行合作伙伴的选择。此后，根据项目的不同需要，任务分解人员可对其中需进一步分解的子任务进行该层次上的BTOO操作，形成该子任务对应的下一级任务流序列（如对子任务模具结构设计可划分为分模线设计、侧向凹凸检查、型腔布置、模架选择、辅助装置选择等，而前四者构成的耦合活动集可进一步划分）。依此类推，采取有限次BTOo操作，可根据不同项目灵活地将任务分解至相应层次粒度的任务单元。这不仅降低了流程复杂性和耦合排序过程的计算量，而且可因繁就简，仅对感兴趣的任务进行细化，真正做到按需分解。在CDlPM中，采用模糊设计结构
25、矩阵对任务序列进行定耦操作，继而采用基于图论的模糊矩阵运算的方法对独立任务进行排序，而耦合任务采用基于双重影响因子的撕裂算法进行重新组合，从而完成一个基本的BToo操作（。而为了对初始的任务划分提供支持，我们将任务分解历史知识表示为：多重模板：=面向功能的任务分解模板+面向产品结构的任务分解模板+特定件任务分解模板+元规则模板。这些模板面向不同的项目需求由设计者自由选择，从而实现历史知识的垂用，不同模板的结合从多个角度提供了驱动整个任务序列优化高效运行的知识基础。4结论在本文中，针对跨企业面向项目的协同产品开发的特点，研究和开发了全产品生命周期的过程流和任务流融合的模具协同设计集成过程管理系统
26、从整体和变粒度思想出发研究了基于知识层次渐进的任务序列优化策略，其与灵活、面向多角度的过程建模和呈现方法相结合，可更加高效地对跨企业的设计过程进行管理。参考文献11.ChoiC.,ParkM.Song.ProcessEngineeringandanXML-BasedProcessDefinitionLanguageC.200lInternationalJointConferenceonComputerandIndustrialEngineeringandIEMS1CocoaBeach,Florida,5-7March2001.2Tavresl.Advancedmodelsforproject
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