基于ABAQUS的異型薄壁件裝夾變形控制研究*

郭詩瑤 姜 濤 楊宏青 樊喜剛

(北京星航機電裝備有限公司，北京 100074)

在機械工藝系統中，機床、刀具、夾具是實現工件切削加工的三大要素。其中，夾具的主要作用是在加工過程中對工件進行定位、約束和支撐，這些作用是通過合理地布置夾具和支撐塊的位置及合適的夾緊力來實現的[1]。夾緊力的大小對裝夾穩定性和加工精度起著重要作用。傳統的裝夾操作通常依靠人工經驗，受主觀因素影響較大，無法給出定量的夾緊力，易引起工件變形、裝夾失效等問題，并最終影響工件的加工質量，尤其是對于薄壁工件更是如此。據統計，薄壁工件的加工誤差20%～60%是由裝夾變形引起的[2]。尤其對于以薄壁復雜框體結構件為典型零件的航天制造業，由于工件剛性較差，裝夾變形問題尤為突出，嚴重影響著加工精度和表面質量。

本文針對一種典型的薄壁復雜框類結構件，利用有限元仿真方法通過建立工件-夾具系統模型，將夾緊力和切削力進行有效匹配，達到控制工件變形的目的。

1 仿真流程分析

本文的仿真流程如圖1。首先，根據給定的幾何模型、材料模型、接觸模型及力學模型，建立工件夾具系統的有限元分析模型；其次，通過仿真計算出在經驗夾緊力和切削力作用下工件的加工誤差，如該狀態下的誤差不滿足要求，則需要通過平衡方程對夾緊力和切削力進行匹配，并將結果輸入到模型中重新進行計算分析，直到誤差滿足要求。

2 有限元模型

2.1 模型建立參數

本文研究對象為在臥式加工中心上進行精加工的薄壁框體類結構件。工件材料為7075(5A06)鋁合金，輪廓尺寸為φ800 mm×100 mm,最終壁厚要保證為均勻的3 mm，為典型的薄壁結構件。夾具材料為Q235，具體材料特性見表1。

表1 工件和夾具材料特性

材料類型5A06Q235密度/(g·m-3)2.77.85彈性模量/MPa7.1×1042×105泊松比0.320.3

2.2 裝夾約束要求

夾具的穩定性直接影響工件的尺寸和形狀誤差[3]。使工件保持平衡的充分必要條件是合力與合力矩都為零,也就是要求力平衡和力矩平衡,可用數學等式表示為：

(1)

式中：Ri為定位元件i處的法向接觸力；Pj為夾緊元件j處的裝夾力；Ff為摩擦力；Fc為銑削力；G為工件重力；T為銑削力矩；m為定位元件個數；n為夾緊元件個數；rc、rf、rg為銑削力、摩擦力、工件重力的位置矢量；rri、rpj為第i個定位點和第j個夾緊點的位置矢量。

3 裝夾變形分析

3.1 有限元模型的建立

(1)幾何模型

基于上述條件，采用非線性計算功能強大的ABAQUS有限元軟件建立工件-夾具系統有限元模型，分別對工件和夾具元件賦予相應的材料屬性，并將它們都設定為彈性體。工件和夾具元件之間采用通用接觸，摩擦系數為μ=0.15。采用8節點六面體單元C3D8R進行網格劃分，結果如圖2所示。

(2)建立約束

對于載荷和邊界條件的施加與約束，由于在有限元分析中，只能對單元和節點分析，實體模型并不參與，因而施加在實體模型上的載荷與約束，都要將他們傳遞到有限元模型中相對應的單元和節點上。如圖3所示，針對要分析的裝夾系統，限制夾具體6個方向的自由度，即將夾具固定在工作臺上，限制壓板系統螺栓及夾具支撐元件的自由度，將邊界條件設置為ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。

(3)施加載荷

如圖4所示，本文中作用于模型上的載荷主要來自兩個方面，一是由外部施加的夾緊力，通過靜力等效為作用于3處壓板上的面力。另一部分則是刀具產生的切削力，可分解為3個方向上的作用力Fx、Fy和Fz。

3.2 加工過程模擬

在ABAQUS中載荷對工件的作用過程是用一系列的分析步來描述的，通過在STEP模塊中添加相應的載荷步實現對不同載荷的分解。本文假設加工過程中切削力的值是固定的，即作用于每個位置的切削力大小相同，只有方向是變化的?，F對內側面上部的三分之一進行模擬加工，并選取了加工路徑上的12個關鍵位置，如圖5所示，通過在相應區域施加切削力來模擬刀具加工過程。

在有限元分析中，為了能更方便地體現切削力和切除材料之間的關系，將切削中的銑刀和加工面的接觸面簡化為臺階面，將切削力均勻作用于臺階面中的待切削面的節點上。要注意的是，在模擬工件材料切除的過程中，要將所要切除的材料以“單元生死”的形式去除，同時對已去除材料的表面施加相應的切削力，如圖6所示，以達到模擬真實的切削加工過程。

3.3 切削力的計算

切削力是切削過程的一個重要參數，受到工件材料、刀具材料、刀具形狀、切削參數等因素的影響。本論文研究對象所涉及的工件材料為5A06，選用φ20 mm的整體硬質合金立銑刀，軸向切削深度為10 mm，徑向切削深度為2 mm，主軸轉速為2 000 r/min，走刀速度為400 mm/min。根據銑削力經驗計算公式[4]，可以計算得到對應的切削力為Fx=41.41 N，Fy=26.3 N，Fz=22.4 N。

(2)

3.4 結果分析

3.4.1 初始裝夾變形

將初始經驗夾緊力30 000 N作用于工件被夾緊位置，代入工件-夾具系統的有限元模型進行分析，在待加工部位施加切削力，根據裝夾的約束條件判斷是否滿足夾緊條件，并滿足工件變形達到最小。經過仿真分析后，易變形部位如圖7所示。

可以看出，工件外輪廓與壓板接觸的夾緊力作用點處變形較大，其余位置的變形很小。最大變形發生在工件下端，變形量為1.49 mm，超出了允許的最大變形量。

3.4.2 夾緊力和切削力匹配

出現上述現象的主要原因是由于壓板上作用的經驗夾緊力大于工件實際所需夾緊力，從而導致了裝夾變形。因此需要在滿足裝夾穩定性的條件下通過計算重新分配各個壓板上的夾緊力。假定工藝系統是剛性的，并且切削過程穩定，機床加工過程中不受環境因素和工人操作的影響，可以只考慮切削力對夾緊的影響。則根據平衡方程(1)，可以計算出切削力在不同的位置時每個壓板處的夾緊力。通過統計分析，將各壓板上的力取最大值，以保證切削過程中裝夾穩定性，最終得到3個壓板上所施加的夾緊力，見表2所示。

表2 優化后的夾緊力

F1F2F3564975894

3.4.3 夾緊力優化后變形分析

將優化后夾緊力代入仿真模型進行分析，得到工件變形結果。從圖8中可以看出，優化后工件的整體變形得到了改善。從圖9可以看出，最大變形發生在刀具切削路徑上位置2，變形量為0.098 mm，小于允許的最大變形量0.1 mm，滿足加工精度要求。

4 結語

本文研究了復雜異型薄壁鋁合金結構件的裝夾變形情況，并得到以下結論：(1)采用經驗夾緊力時，薄壁件的裝夾變形較大，無法滿足加工精度要求；(2)通過對夾緊力進行理論優化計算，在滿足裝夾穩定的條件下，采用有限元分析方法使薄壁件的變形控制在0.098 mm以內，有效改善了工件的裝夾變形情況。