2124鋁合金曲邊薄壁結構加工變形仿真分析

申運鋒，趙妍，楊生國，李永銅，付嘉寶，蘇宏華，何臨江

(1.中國航天科工集團公司 航天晨光股份有限公司，南京　210006)(2.南京航空航天大學 機電學院，南京　210016)

2124鋁合金曲邊薄壁結構加工變形仿真分析

申運鋒1，趙妍1，楊生國1，李永銅1，付嘉寶2，蘇宏華2，何臨江2

(1.中國航天科工集團公司 航天晨光股份有限公司，南京210006)(2.南京航空航天大學 機電學院，南京210016)

摘要：鋁合金結構件在其銑削加工過程中，易發生加工變形和彈性讓刀，為了實現鋁合金曲邊薄壁結構加工讓刀變形的預測，提出一種銑削加工過程的仿真分析方法。通過不同參數組合的銑削試驗獲得切削力回歸方程，為仿真試驗切削力加載提供依據；利用Python語言對Abaqus軟件進行二次開發，結合“單元生死”技術，針對曲邊薄壁結構選取三種走刀方式進行銑削加工變形仿真分析；通過銑削試驗，驗證仿真分析方法的可靠性。結果表明：階梯對稱走刀方式變形量最小，單側走刀方式變形量遠大于另外兩種對稱走刀方式，隨著側壁高度的降低，差異逐漸減小，至工件底部三種走刀方式的變形量基本相同。

關鍵詞：2124鋁合金；曲邊薄壁；銑削加工；走刀路徑

0引言

隨著航空航天領域的發展，對現代飛行器的性能要求不斷提高，飛行器的結構設計也發生了較大變化，現代飛機、航天器的結構設計制造特點是重量輕、結構強度高。為了減輕重量，結構件被大量使用，例如機翼、整體壁板、大梁、隔框等部件。盡可能多的應用結構件所帶來的優勢包括：降低飛機、火箭等的自身結構重量，提高飛行器的機動性，增大其負載能力和飛行距離。而且，隨著飛行器重量的降低以及結構強度的提高，其服役壽命將得以延長[1-2]。

鋁合金結構件材料因其去除率高、多薄壁結構、剛性較差、彈性模量較小、屈強比較大等特點，在銑削過程中，切削力會使零件產生局部加工變形和彈性讓刀[3-6]。國內外針對鋁合金結構件的局部加工變形問題進行了大量研究，例如S.Ratchev等[7-10]將薄壁件銑削加工過程中工件的變形轉變為切入角、切出角的變化，并建立了相應的工件彈性讓刀變形誤差的預測模型。K.Shirase等[11]研究了采用變齒間角刀具加工薄壁工件時的切削力及加工表面誤差，有效減少了變形誤差和薄壁件顫振問題。Tang Aijun等[12]以彈性力學理論為基礎，通過構建薄壁件彈性讓刀變形的有限元模型，來模擬其銑削加工過程。武凱等[13-14]利用有限元軟件仿真模擬獲得了薄腹板的加工變形規律，并給出了優化的銑削參數。然而上述研究無論是有限元模型，還是工藝試驗，多是針對直邊薄壁和腹板結構，對于曲邊薄壁結構的研究則極少。曲邊薄壁作為結構件的重要特征，其變形在制造中普遍存在，研究其加工變形規律以及變形控制措施是極為必要的。

本文針對結構局部加工變形，以2124鋁合金曲邊薄壁結構為研究對象，通過有限元仿真分析，對零件的加工變形進行預測，對比不同走刀方式的加工變形量，并針對仿真分析結果進行銑削試驗，驗證仿真分析的可靠性。通過仿真分析結合試驗驗證，以盡量少的銑削試驗實現對加工變形結果的預測，對曲邊薄壁結構局部加工變形的控制研究具有參考意義。

1銑削試驗及切削力回歸方程

為了實現鋁合金材料的銑削加工仿真分析，必須對有限元模型加載相應的切削力，切削力數值的準確性，將直接影響仿真分析結果，決定該仿真結果是否能夠貼近真實的銑削情況。

加載的切削力由銑削試驗獲得，對銑削試驗的介紹見1.1～1.4節。

1.1試驗對象

選取2124鋁合金曲邊薄壁結構作為試驗對象，該試驗件的三維模型如圖1所示，其關鍵尺寸為：曲邊側壁零件半徑200 mm，夾角100°，壁高28 mm，底座厚度2 mm。

圖1　試驗件的三維幾何模型

1.2試驗設備

試驗設備如圖2所示，試驗機床為Mikron UCP710五坐標高速加工中心(圖2(a))，測力系統由Kistler9265B動態測力儀(圖2(b))、Kistler5059A電荷放大器(圖2(c))以及相應的數據采集與處理系統組成。Kistler9265B動態測力儀采用壓電晶體傳感器，可同時測量三個方向的切削力。

(a) 試驗機床

(b) 動態測力儀

(c) 電荷放大器

1.3試驗刀具

試驗刀具采用山特維克公司φ10 mm整體立銑刀，齒數3個，螺旋角30°，前角γ0=20°，后角α0=15°。

1.4試驗過程

利用上述儀器和刀具進行銑削試驗，改變不同的銑削參數，從動態測力儀上分別讀出進給方向、銑刀徑向切深方向、刀具軸方向的力。

1.5切削力與銑削參數的關系

選定的銑削參數如表1所示，測得不同參數組合下的切削力數值。

表1　切削力試驗參數

切削力與銑削參數(轉速、切寬、切深、每齒進給量)的關系分別如圖3～圖6所示，切削力的方向定義為：x軸表示進給方向，y軸表示銑刀徑向切深方向，z軸表示刀具軸向。

圖3　轉速與切削力關系曲線

圖4　切寬與切削力關系曲線

圖5　切深與切削力關系曲線

圖6　每齒進給量與切削力關系曲線

從圖3～圖6可以看出：進給方向力Fx最大，軸向力Fz最??；轉速對切削力的影響很小，隨著轉速的增加，切削力大小幾乎不變；而隨著切寬、切深和每齒進給量的增加，三個方向的切削力都變大。

1.6切削力回歸方程

根據試驗結果，通過回歸分析得到切削力的經驗公式為

(1)

2銑削加工過程仿真分析方法

2.1工件材料的切除

利用“單元生死”技術去除毛坯材料，“死單元”對計算模型不提供剛度，而“活單元”能為計算模型提供完全剛度[15]，因此，“單元生死”技術可以被應用于銑削仿真過程的模擬分析。待加工零件單元的切除與否也可用單元的“生”、“死”來模擬。

在有限元仿真分析中，將連續的銑削進給過程分為一系列離散的“分析步”，每個“分析步”去除的單元尺寸由切削深度、切削寬度及進給量來確定。將工件毛坯材料的切除過程轉化為毛坯有限元模型的單元網格在指定的“分析步”被“殺死”的過程，該過程視刀具為剛體，“單元生死”技術將銑刀隱藏處理，模擬過程不顯示刀具。

2.2切削力的加載

在模擬工件材料切除的過程中，不僅要將所要切除的材料以“單元生死”的形式去除，還要在已去除材料的工件表面施加相應的切削力，以模擬真實的銑削加工過程。銑削仿真試驗中，選取去除材料后工件表面上的四個“節點”，將相應的載荷平均加載到該四個節點上，以模擬切削力(切削力的大小則通過銑削試驗獲得)。

2.3Abaqus的二次開發

銑削過程中，會有大量的工件材料被切除，仿真試驗時，為了模擬這一過程，必須在選定的進給步切除對應的單元。故需設定大量的“生死單元”，并對去除材料后的已加工表面施加與之相對應的載荷。

仿真分析過程通?？煞指顬槌砂偕踔翑登€進給步，“生死單元”的設定其操作過程十分繁瑣、工作量巨大。針對這一問題，本文通過對Abaqus仿真軟件進行二次開發，利用Python語言編寫腳本，并在仿真過程中運行該腳本，以實現“單元生死”和切削力加載的循環操作，提高效率、減少工作量。

首先，根據曲邊薄壁結構的走刀方式獲得其加工過程的刀具軌跡，如圖7所示。

圖7　零件加工刀具軌跡

然后，根據工件有限元模型的網格尺寸(由加工參數切寬、切深確定)，將獲得的刀具軌跡離散為若干個刀具的位置坐標點，每一個坐標點對應該進給步(即分析步)所需切除的單元集合。直線軌跡坐標點所對應的單元集合如圖8所示。

圖8　刀具直線軌跡坐標點對應的單元

最后，通過遍歷Abaqus軟件的inp文件內的信息，將坐標點所對應的單元放入單元集合。inp文件是Abaqus軟件存儲仿真分析模型信息的文件，其內容包括模型的幾何數據、材料模型、單元類型等，如圖9所示。本文通過遍歷inp文件獲得每個單元的節點信息，根據其坐標值判斷該節點所屬單元是否為刀具軌跡離散化的坐標點所對應的單元，而后決定是否將該單元放入相應的單元集合。

圖9　Abaqus軟件的inp文件內容

通過上述方法，實現了跟隨刀具軌跡，依次將工件有限元模型的單元網格設定為“生死單元”，為仿真分析過程節約了大量操作時間。

3仿真結果及分析

針對曲邊薄壁零件，銑削仿真試驗中選取三種不同的走刀路徑進行對比，所選的三種走刀路徑加工的剖面如圖10所示。圖10(a)為階梯對稱走刀方式，其銑削方式為：銑削側壁頂端的第一刀切深為ap/2，然后依次對稱銑削側壁的兩側，切深均為ap，銑削至側壁底部最后一刀切深為ap/2，將剩余工件材料切除；圖10(b)為等切深對稱走刀方式，即采用恒定切深ap，依次切除工件兩側材料；圖10(c)為單側走刀方式，即采用恒定切深ap，先切除工件一側材料，再切除另一側材料。

(a) 階梯對稱走刀(b) 等切深對稱走刀(c) 單側走刀

圖10零件的不同走刀路徑

Fig.10Various selected tool path of part

曲邊側壁類結構仿真加工利用“單元生死”技術，選定的切削參數為：n=10 000 r/min，ae=3 mm，ap=2 mm，fz=0.15 mm/z，加載切削力數值由切削力回歸方程獲得。曲邊側壁類零件銑削仿真如圖11所示。

圖11　曲邊側壁類零件銑削仿真

在零件頂端、中部和底部選取三個位置高度(0、-15和-28 mm)作為對比點，測量這三個位置高度的最大變形量，以對比不同走刀路徑產生的變形大小，如圖12所示。可以看出：單側走刀方式的加工變形量明顯大于另外兩種走刀方式，原因是單側走刀方式先切除工件一側(設為A側)材料，而當切除另一側(設為B側)材料時，由于A側材料已被完全切除，致使零件剛度較差，薄壁受到刀具切削力擠壓，彈性讓刀較大；而階梯對稱走刀方式，其采用變切深的銑削方式，在銑削薄壁一側時，另一側總是留有部分工件材料且高于正在加工一側的工件材料，充分利用了已切除一側工件的剩余剛度，故在切削力作用下的彈性讓刀量相對較小，零件的加工變形也較小。

對比不同位置的變形量，在工件頂端，單側走刀方式的變形量與另外兩種走刀方式差別較大，約為其變形量的40%，而隨著高度的不斷降低，其變形量與另外兩種走刀方式不斷接近，到底部時，三種走刀方式的變形量基本一致。這是因為：側壁頂端的剛度最小，隨著高度降低，剛度逐漸變大，由于采用對稱走刀的方式，充分利用了零件的剩余剛度，而單側走刀先切除一側材料再加工另一側，在剛度較小的工件頂部產生較大變形，而在剛度較大的工件底部，則與另外兩種對稱走刀方式相差較小。

圖12　曲邊側壁零件不同走刀路徑加工變形量對比

4試驗驗證

進行零件的銑削加工試驗以驗證有限元仿真分析結果的正確性，試驗在Mikron UCP710五坐標高速加工中心上進行，銑削刀具采用山特維克公司φ10 mm整體立銑刀，選取階梯對稱走刀方式，試驗參數為：n=10 000 r/min，ae=3 mm，ap=2 mm，fz=0.15 mm/z。

通過三坐標測量儀器，測得薄壁件最大變形量為0.025 2 mm，仿真結果為0.029 3 mm，二者偏差約為16.3%，在誤差允許范圍0～20%內，表明仿真結果是可接受的。

5結論

(1) 基于Abaqus有限元軟件構建了銑削加工仿真模型,利用Python語言編寫腳本程序，對Abaqus軟件進行二次開發。實現了跟隨刀具的軌跡依次將工件有限元模型的單元網格設定為“生死單元”，為仿真分析過程節約了大量的操作時間。

(2) 根據銑削試驗結果，選取三種走刀路徑，針對曲邊側壁結構的加工讓刀變形進行仿真試驗，結果表明：階梯對稱走刀方式變形量最小，單側走刀方式變形量遠大于另外兩種對稱走刀方式；隨著側壁高度的降低，差異逐漸減小，至工件底部三種走刀方式的變形量基本相同。

(3) 通過銑削試驗驗證，仿真分析結果與試驗結果之間的偏差為16.3%，在誤差允許的范圍內，其結果是可以接受的。

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Simulation Analysis of Machining Deformation of 2124 Aluminum Curved Thin-walled Structures

Shen Yunfeng1, Zhao Yan1, Yang Shengguo1, Li Yongtong1, Fu Jiabao2,Su Honghua2, He Linjiang2

(1.Aerosun Company, Ltd., China Aerospace Science & Industry Corporation, Nanjing 210006, China)(2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:During the milling process, aluminum alloy structural parts are liable to produce the process deformation and flexibility to decline the knife. A simulation analysis method of milling process is proposed to achieve the prediction of machining deformation of curved thin-walled structures. The regression equation of cutting force are obtained by milling experiments under a series of different combinations of cutting parameters to provide the basis for the cutting force loading of simulation test. By using python language for secondary development of Abaqus simulation software, combined with the “model change” technology and three kinds of tool path, milling simulation analysis have been carried on for the machining deformation of curved thin-walled structure. The results indicate that: the deformation of stepped symmetrically tool path is of the minimum amount, and the amount of deformation of unilateral tool path pattern is much larger than two kinds of symmetrically tool path. With the reduced height of the side walls, the difference decreases, and at the bottom, substantially the same amount of deformation obtained. Finally, the reliability of the simulation analysis milling experiments is verified by milling experiment.

Key words:2124 aluminum alloy; curved thin-walled; milling; tool path

收稿日期：2016-01-20；修回日期：2016-02-25

通信作者：蘇宏華,shh@nuaa.edu.cn

文章編號:1674-8190(2016)02-191-07

中圖分類號：TH164

文獻標識碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.02.009

作者簡介：

申運鋒(1978-)，男，高級工程師。主要研究方向：機械電子工程。

趙妍(1961-)，女，研究員。主要研究方向：機械制造。

楊生國(1978-)，男，高級工程師。主要研究方向：機械制造及自動化。

李永銅(1962-)，男，碩士，研究員。主要研究方向：機械制造。

付嘉寶(1988-)，男，碩士。主要研究方向：高效精密加工。

蘇宏華(1969-)，男，教授，博導。主要研究方向：難加工材料的切/磨/削加工、難加工材料及其結構的制造技術。

何臨江(1989-)，男，博士研究生。主要研究方向：高效精密加工。

(編輯：馬文靜)