基于數值模擬的航天鎂合金薄壁零件加工工藝研究

關洋 郭丙結

摘 要：航天鎂合金因其比強度高、減振性能好、質量輕等優點廣泛應用在各個航天領域，由于材料結構剛性差，加工中受載截面變形大，造成鎂合金薄壁零件壁厚不均勻和尺寸超差。本文通過Ansys建立三維有限元模型并對其進行受力分析，提出合理的銑削參數來優化加工工藝。

關鍵詞：鎂合金；有限元分析；加工工藝

1 引言

鎂合金薄壁零件是航空工業產品中常見的一類零件，其零件特點是外形配合要求比較高、零件長度尺寸相比于截面尺寸大、剛性較差、精度要求高。零件在切削加工中由于切削力的作用產生“讓刀現象”，導致零件加工質量不合格。針對鎂合金薄壁零件加工易變性特點，利用有限元方法對零件模型進行數值模擬變形分析，提出合理的銑削參數，最終優化機械加工工藝。

2 鎂合金薄壁零件的加工誤差

機床精度不高、刀具磨損變形、加工過程零件熱變形、加工環境溫度因素等都可以造成零件的加工誤差。由于鎂合金薄壁零件截面尺寸很小使其剛度不足，在加工中受到徑向切削力導致的變形是影響形位公差的主要原因1。理論上，使用雙刃立銑刀銑削平面時，應該切除ABCD陰影部分，如圖1所示。但是由于切削力的作用，使得材料發生復雜的彈塑性變形，零件上表面對銑削面有力的作用，變形量可以忽略，零件下表面為開口，沒有對銑削面產生力的作用，導致B，C兩點分別移到B2，C2兩點，則雙刃立銑刀僅切除A B2CD陰影部分，走刀過后零件彈性恢復，殘留的C C2D部分材料未被切除，造成零件成“鼓”形。

3有限元分析

以雙刃立銑刀銑削鎂合金薄壁零件為例，由于刀具每秒轉數遠大于刀具進給速度，可以假設在某一進給位置，刀具軸線保持不變，而刀齒沿著加工表面由左向右移動，直到把加工余量切除，在切削過程的某個瞬間，對薄壁零件截面施加的力可以認為是沿螺旋線方向動態變化的切削力2。在實際加工中由于上下銑削厚度不同，在銑削中一次進給加工整個表面情況下，鎂合金薄壁零件上表面為固定端面變形小，所受載荷大，零件下表面因為沒有約束，發生彈塑變形導致切削量減少，從而引起切削力下降。所以，動態銑削力可近似梯形分布。鎂合金密度為1.73g/cm3，泊松比0.35，彈性模量4480MPa，比強度高于鋼，比剛度接近鋼，銑削加工中，刀具轉數為250r/min，走刀量0.1mm/r，進刀量0.1mm/次，零件厚度為2mm，梯形分布力的合力為750N，如圖2所示，零件下端面變形量最大，而上端面變形量幾乎為零，這是因為施加裝夾約束和薄板的支撐才出現此類狀況。

4工藝優化方案

4.1零件特點及工藝難點

零件材料為航空鎂合金，零件整體壁厚不超過2.5mm，零件最薄出僅為2mm，零件槽口內部有兩處裝配凸臺，并且有多條加強筋。難點一，零件機械加工前毛坯料為鑄件，大端面為全封閉式，這樣就必須對大端面進行銑削加工，由于內應力釋放造成大端面垂直度及平行度狀態較差。難點二，零件外形輪廓和局部內腔需要加工，就需要確定加工基準面，基準 面的如何選取及其形位公差高低直接影響零件的加工質量。

4.2加工工藝研究

4.2.1裝夾方式及工藝方法

由于零件整體結構類似是薄壁U形件，U形口朝下裝夾零件時，零件受力發生復雜彈塑變形，下部分出現“讓刀現象”，導致零件少切。故考慮增加工藝塊，如圖3所示，避免零件上部分受到裝夾約束而增大變形。零件下部分受到工藝塊的裝夾約束，零件下部分的變形量減少。增加工藝塊還有利于零件的裝夾方便，并能確保多次裝夾時，零件的相對位置不發生大的偏移。

工藝塊加工質量直接影響零件的加工質量。首先，找平型腔兩側非加工兩處凸臺使其等高，劃出3*4凸臺中心線；其次，以凸臺中心線為基準劃線，保證兩側工藝塊厚度方向兩個尺寸，利用銑床光出即可，保證平面度不大于0.05；最后，銑工藝塊寬度方向外形，保證寬度方向與中心對稱。

零件大端面要進行開端口，由于銑削過后零件內應力釋放，導致零件發生變形。首先，銑封閉槽口A，槽口寬度分成粗銑和半精銑兩道工序，在半精銑后單邊留余量0.1；其次，把封閉槽口銑成開檔，保證單邊余量0.1，松開裝夾在工藝塊上的壓板，靜放24h后重新裝夾還原；最后，精銑槽口寬度。

4.2.2切削用量

普通速度銑削加工時，粗加工主要是以提高材料切削率為主，一般軸向銑削深度ap，縱向銑削深度ac和每齒進給量fz比較大；而精加工以達到加工精度與表面質量為主，切削速度vc更高。由于要考慮刀具本身剛性、刀具加工時震顫及切削力對零件變形的影響，選擇vc=1100m/min加工零件，以便減少加工變形、提高加工質量3。

5結束語

運用Ansys有限元數值分析方法，對航空鎂合金薄壁零件切削變形進行模擬仿真，分析了零件變形的主要趨勢和變形原因。通過對工藝優化，選擇合理的零件加工工藝路線和裝夾方式，選用合適切削速度，可以將大部分讓刀殘余材料切除，從而達到高效、優質加工航天鎂合金薄壁零件的目的。

參考文獻：

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