2A12 鋁合金機油泵蓋的銑削變形分析及控制策略* ＊

胡費祥 趙 波 楊 晨 李金國 吳軼杰

(①上海工程技術大學汽車工程學院，上海201620;②上汽集團幸福摩托車有限公司產品開發部，上海201900)

銑削加工是在銑床上利用銑刀對工件進行高速切削的加工方法，其具備加工效率高、刀齒散熱條件好等優勢，近十幾年來廣泛應用于航空航天、汽車制造、模具加工等行業。銑削力的大小決定了銑削過程中所消耗的功率和加工工藝系統的變形，對加工精度和加工質量有著直接的影響。

在考慮銑削加工變形時，主要是要給出較合理的銑削力和夾緊力，銑削力一般隨著加工過程的進行而不斷波動，較為復雜。在這方面，已有許多研究者進行了研究。于魯萍［1］較為系統地闡述了實際工程中減小2A12鋁帶板類工件機械加工變形的方法，主要討論了材料的纖維、切削方式、裝夾方式等。王志剛［2］介紹了有限元在分析薄壁件銑削加工變形中的應用，并提出一種數控補償方法來減小讓刀誤差，從而控制薄壁件的加工精度。許多研究者通過對銑削力進行實驗研究［3－5］表明，不同的銑削參數對銑削力的影響較大。

本文以某型號發動機的2A12 鋁合金機油泵蓋銑削加工為例，來進行夾緊力和銑削力作用下的變形有限元模擬，通過對變形結果的分析，然后對夾具進行改進，改進后再次進行有限元模擬和實驗驗證，結果表明模擬結果可靠，改進效果良好。

1 問題描述及主要影響因素

圖1 為某型號發動機2A12 鋁合金機油泵蓋三維模型及加工面示意圖。在對圖1 所示加工面進行銑削加工時，由于夾具的夾緊力和銑刀的銑削力的作用，會使工件產生變形，從而導致銑削工件的精度下降。同時，銑削的面是用于和機油泵泵體進行裝配的，如果精度不高，那么裝配后就會存在縫隙，從而導致漏油以及內外壓力的傳遞，這將大大降低機油泵的性能和工作效率。

因此，為了保證加工精度，對銑削加工時的加工變形規律的研究顯得十分必要。而實際銑削過程中，影響變形的因素有很多，如機床、刀具、夾具及切削參數等，但大部分都可以歸結到銑削力和夾緊力上，故本文主要考察銑削力和夾緊力。

(1)銑削力

采用常用的回歸分析方法，建立銑削2A12 鋁合金銑削力經驗公式［6－8］。根據金屬切削原理研究結論，在加工材料和刀具幾何參數確定的前提條件下，切削力與切削參數之間存在復雜的指數關系。設銑削力經驗公式的通用形式為:

式中:C、b1、b2、b3、b4為常系數;F 為切削力;n 為主軸轉速;ap為軸向切深;ae為銑削寬度;fz為每齒進給量。

由于表達式中待定系數很多，一般通過測力儀器測量銑削過程的一些銑削力，然后通過回歸的方法來擬合出銑削力的經驗公式。

本研究通過設計正交試驗，銑削2A12 鋁合金平板并測量銑削力，再利用MATLAB 軟件進行輔助計算，最終得到的2A12 鋁合金銑削力的經驗公式為:

(2)夾緊力

夾緊力是固定加工工件的作用力，這個力對加工精度也有影響。如果夾緊力過小，則不能很好的固定住工件，會導致工件在加工時產生滑動而導致加工錯位和產生加工變形;如果夾緊力過大，則會使夾緊部位產生塑性變形而使整個工件產生殘余應力和縱向翹曲，從而產生縱向位移并導致縱向加工精度下降。因此，選擇合理的夾緊力對保證工件的加工精度至關重要。

就加工2A12 鋁合金機油泵蓋而言，實際加工過程采用的是液壓夾具，其夾緊力是可調節的。因此，在數值模擬時，也可以改變施加的夾緊力的大小，研究夾緊力和夾緊變形之間的關系。

2 模型的建立和數值模擬

先利用UG 軟件建立機油泵蓋的實體模型(見圖1)。從圖1 中可以看到機油泵蓋零件結構比較復雜，對于這種復雜多面部件的有限元建模一直是難點。文中首先采用Hypermesh 軟件作為網格劃分工具，在保證質量的前提下，能夠快速完成整個機油泵蓋的網格劃分工作。然后，通過ABAQUS 軟件進行求解。注:夾板和支撐結構簡單，可直接用ABAQUS 繪制并劃分網格。

采用Hypermesh 軟件快速劃分復雜零件網格時的基本思想是先生成面網格，然后由面網格生成體網格。首先清理三維模型，刪除一些影響網格質量但又對分析計算影響不大的小孔小面等。一些無法刪除的孔、面可先采用小尺寸劃分網格，隨后其他用較大尺寸劃分，最后修復連接處的網格。完成面網格之后需進行網格清理。清理2D 網格可采用Hypermesh 自帶的Auto Clean up 功能自動清理加手動調整，清理完成后檢查網格封閉性，最后由面網格生成體網格。當個別面網格不能生成體網格時，需重新調整，直至能生成體網格為止。圖2 為氣缸蓋的四面體單元有限元模型，模型總單元數為738 966，將其導出為ABAQUS 類型的文件并保存。

將保存的inp 文件導入到ABAQUS 軟件中，對圖2 所示的模型進行基于ABAQUS 的接觸有限元分析，機油泵蓋體的材料屬性為2A12 鋁合金的材料屬性，即:彈性模量E =71 GPa，泊松比μ =0.33。夾具為普通鋼材的材料屬性，即彈性模量E =210 GPa，泊松比μ=0.3。在ABAQUS 里面將夾具裝配并劃分網格，定義約束和接觸后如圖3 所示。

關于模型的加載，主要有夾緊力的加載和銑削力的加載。夾緊力的施加按給定的夾緊力每處夾板與工件接觸面積的大小，求出每處的面壓力，再以面壓力的形式施加在工件上。而在銑削加工過程中由于同時伴隨進給運動和旋轉運動，銑削過程是極其復雜的，在現階段，計算機還無法真實再現實際加工中刀具的旋轉、進給復合運動。切削加工過程中，銑刀與被切削材料之間的相互作用，可以通過動態切削力載荷的形式表示。當刀具進給到某一位置時，銑刀的刀齒開始由下向上切削，其過程可以離散為線載荷對工件的作用。由于在有限元模型中，對于階次較低的單元，可以按靜力等效原則，這樣我們就可以簡化為將載荷分配在各個節點上。在實際模擬時，通過節點加力(包括切削力、進給力、軸向力)來完成切削力施加［9］。

3 結果分析

圖4 為僅施加夾緊力(150 N)時的變形云圖。

表1 為未施加銑削力時的不同區域最大位移值與夾緊力之間的對應關系。從表中數據可以看出，在夾緊力作用下，變形量都是微米量級的，與實際要求的0.02 mm 的加工精度不在一個數量級內，故在模擬銑削力作用下的加工變形時，只取一組夾緊力來模擬，后面計算中，夾緊力取250 N。需要注意的是，如果在實際操作過程中，每處的夾板(支撐面)不在同一平面上，從而產生扭矩，那將對變形有很大影響。

表1 未施加銑削力時的不同區域最大變形與夾緊力之間的對應關系 μm

因此，下面考慮在銑削力的作用下工件產生的變形。為了進行不同銑削位置時變形的對比，對圖3 中圓圈所示的6 個位置處分別進行加載。為了更好地和實際加工情況進行對比分析，銑削力的大小按實際加工時的加工參數(主軸轉速為6 000 r/min，軸向切深ap為2 mm，徑向切深ae為8 mm，每齒進給量fz為0.15 mm/齒)代入到銑削力公式模型中進行計算。表為進行銑削力加載后各個位置(或附近區域)的最大變形量。

表2 加載銑削力后模擬的最大變形量 mm

從這表2 得出結論如下:工件尺寸相對較大，主要支撐相隔太遠，導致受力不均，容易產生變形;從變形量來看，變形程度較大的主要是遠離支撐的邊緣區域，且遠遠超過加工要求的精度。

4 改進措施和實驗驗證

為了解決銑削變形超過加工精度要求這個問題，考慮采用的輔助支撐。通過對上面的變形區域和工件本身結構進行分析，施加輔助支撐后如圖5 所示。

在相同位置，相同的切削條件下在上述6 個位置進行加載。加載后每個位置(或附近區域)的最大變形量如表3 所示。

表3 改進后模擬的最大變形量 mm

通過觀察改進前后的變形數據及變形云圖可以得出以下結論:使用了輔助支撐后，各位置(或附近區域)的整體變形量有所減小，基本能滿足精度要求，特別在變形程度比較大區域效果更加明顯;在使用了輔助支撐后，加載對變形的影響只作用在加載區域的局部范圍，對其他區域的影響較小。圖6 為改進前后5 位置的變形云圖的對比。

實驗驗證:在加工中心進行施加輔助支撐后的銑削加工，加工參數同樣為主軸轉速為6 000 r/min，軸向切深ap為2 mm，徑向切深ae為8 mm，每齒進給量fz為0.15 mm/齒。用三坐標測量儀對工件進行變形測量，如圖7 所示，測得的各個位置(或附近區域)最大變形量見表4(由于模擬得到的是空間變形量，為了便于對比，表4 中是3 個坐標的變形量轉化后得到的)。

表4 改進后加工的最大變形量 mm

通過觀察表4 的數據，可以看到實際加工后，變形很好地被控制在要求的精度范圍內，表明改進措施有效。

對比分析表3、表4，可以得到如下結論:每個位置實測的變形量基本要大于模擬得出的最大變形量，這主要是由于銑削系統振動、刀具磨損及工件材料物理性能不均勻性等因素造成;模擬得出的變形量趨勢和位置和實測的大致上吻合，可以認為模擬可靠。

5 結語

通過以某型號發動機的2A12 鋁合金機油泵蓋銑削加工為例，來進行夾緊力和銑削力作用下的變形有限元模擬，并結合試驗，可以得出以下結論:

(1)在夾緊力作用下的變形量都是微米量級的，與實際要求的加工精度不在一個數量級內，夾緊力對精度影響可以忽略不計，影響加工變形的主要因素是銑削力的大小。

(2)使用了輔助支撐后，各位置(或附近區域)的整體變形量有所減小，基本能滿足精度要求，特別在變形程度比較大區域效果更加明顯。

(3)每個位置實測的變形量基本要大于模擬得出的最大變形量，這主要是由于銑削系統振動、刀具磨損及工件材料物理性能不均勻性等因素造成。

(4)模擬得出的變形量趨勢和位置和實測的大致上吻合，可以認為銑削力經驗模型及銑削變形有限元模擬可靠。

［1］于魯萍，姜偉，馬海波.減少2A12 鋁帶板類零件機械加工變形方法研究［J］.航天制造技術，2010(3):32 －33.

［2］王志剛，何寧，武凱，等.薄壁零件加工變形分析及控制方案［J］.中國機械工程，2002，13(2):114 －117.

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［9］黃志剛，柯映林.飛機整體框類結構件銑削加工的模擬研究［J］. 中國機械工程，2004，15(11):991 －995.