某薄壁殼體銑削加工有限元分析

龔宗輝 王許朋

摘要：某薄壁殼體零件在加工中部吊掛及孔結構時，出現零件變形大、振刀嚴重的問題。本文以某薄壁殼體為研究對象，建立薄壁殼體的三維模型，采用ABAQUS軟件對銑削過程中的零件進行模態分析，得到了某薄壁殼體零件的固有頻率及對應振型。根據零件加工時的動態特性，改進工藝、避開共振頻率，優化加工時的剛性，獲得了良好的工藝效果，對工藝方案的優化具有一定的指導意義。

關鍵詞：薄壁殼體;銑削加工;模態分析;工藝優化

中圖分類號：TG306? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0090-02

0? 引言

某薄壁殼體為某型產品的重要零件，其結構復雜，表面設計有窗口、孔、槽及吊掛等結構。由于其壁厚較薄、硬度高且加工精度要求高，屬于弱剛性零件，在銑削加工時零件結構的固有頻率極易與周圍環境頻率（如機床的轉速頻率）一致，產生變形、振刀缺陷[1-2]。為解決上述問題，利用計算機輔助工程（CAE）技術，分析該薄壁殼體零件加工過程中的固有頻率和模態陣型是必不可少的[3]。對此本文基于ABAQUS有限元仿真軟件，對某薄壁殼體零件進行模態分析，研究零件在銑削過程中的固有頻率及其對應的模態陣型，為零件制造工藝的優化提供理論依據。

1? 零件結構特點

某薄壁殼體的結構如圖1所示，零件直徑為D，長度為L，殼體最薄處僅為1.6mm，屬于薄壁圓筒零件。產品外形結構比較復雜（殼體中部設計有吊掛，端部開有多處通孔、通槽）、形位公差及尺寸公差精度要求高（最高精度要求小于0.05mm），結構剛性差。

在銑削加工零件中部吊掛時，原工藝方案采用一端用全包軟爪夾持，另一端用頂蓋及尾座頂緊的方式進行加工。在進行到精銑工序時，發現零件表面因工藝系統結構剛性較差震刀嚴重，部分零件甚至出現尺寸超差，難以滿足精度要求，為此需對原有工藝方案進行改進優化。

2? 薄壁殼體的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

為分析原有方案的不足，本文以中部吊掛銑削過程為對象，對薄壁殼體局部加工變形進行研究。因零件在精加工過程中，銑刀直徑、銑削寬度和銑削深度相比于零件尺寸都非常小，所以對零件而言銑削過程去除的材料近乎可以忽略，對此本文采用有限元分析的方式對薄壁殼體結構進行模態分析。

①有限元模型的建立。本文選取整個三維模型的方式進行分析。使用UG建立零件三維模型，然后將模型導入ABAQUS中，進而建立有限元分析模型。模型長度為L，直徑為D，壁厚為1.6mm，另外為降低計算成本，模型中忽略零件的孔及窗口等結構。

②材料模型的選取。薄壁殼體的材料為馬氏體不銹鋼（材料牌號為C250）。材料的彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3。

③有限元網格劃分。本文使用掃掠的方式對薄壁殼體模型進行網格劃分。在ABAQUS中進行模態分析必須使用線性攝動分析步[4]，不宜使用六面體單元劃分，本文選用單元類型為C3D4的四面體單元。

④邊界條件定義。本文對薄壁殼體的兩端所有節點采用零位移約束，以模擬薄壁殼體的實際裝夾情況。

2.2 薄壁殼體模態分析

本文采用Lanczos法對薄壁殼體進行模態分析，薄壁殼體在裝夾時的前8階固有頻率與振型分別如表1、圖2所示。

分析前8階結果可知：①隨著階數的增加，薄壁殼體的固有頻率逐漸增加。在前8階中薄壁殼體的固有頻率集中在180～475Hz之間，其中1、2階，3、4階，5、6階，7、8階的固有頻率接近，為模態密集區;2、3階，4、5階，6、7階固有頻率相差較遠為模態稀疏區。②在前4階中薄壁殼體的振型比較簡單，主要表現為1、2階徑向膨脹變形及3、4階軸向彎曲變形兩種形態，其中振型的最大變形均發生在殼體的1/2處。③第5～8階，殼體的振型較為復雜，主要表現為徑向膨脹變形與軸向彎曲變形的耦合形態，隨著階數的增加，殼體的振型耦合程度越大，殼體的最大變形出現在殼體的1/4，1/2，3/4處。

3? 工藝方案優化

由前8階模態分析可知，薄壁殼體的固有頻率主要集中在185Hz、246Hz、288Hz、475Hz處，因此在制定銑削工藝時，應選擇恰當的銑削速度以避開零件的共振頻率。同時由前8階振型可知，3、4階時薄壁殼體1/2處有彎曲趨勢，說明此處剛性較弱，可在零件1/2處增加中心架以加強零件剛性;其他振型中，零件1/4，1/2，3/4出現徑向膨脹趨勢，為增加零件內部剛性可在1/4，1/2，3/4處增加內部支撐（如橡膠皮，或者充氣氣囊等）。按照上述方式改進后，XX批薄壁殼體零件的結構剛性得到顯著提高，加工變形及加工振刀現象基本消失，改進后加工工藝可行性得到了驗證。

4? 結論

本文借助ABAQUS有限元分析軟件對某薄壁殼體零件進行三維建模以及模態分析，得到了該零件的前8階固有頻率及模態振型。分析可知：①薄壁殼體的固有頻率主要集中在185Hz、246Hz、288Hz、475Hz處，在銑削加工時，應選擇恰當的銑削速度以避開零件的共振頻率;②由前8階振型可知，零件的1/4，1/2，3/4處剛性較弱，在1/4，3/4處存在徑向膨脹的變形趨勢，在1/2處存在彎曲及徑向膨脹耦合的復雜變形趨勢;③針對零件的振型特點，本文采用內部填充支撐（如橡膠皮，或者充氣氣囊等）、外部增設中心架的裝夾方式，合理選用工藝參數，很好的解決了銑削加工中出現的變形及振刀缺陷，獲得了良好的工藝效果。

參考文獻：

[1]李廣超，許少云，孟超.某大型薄壁鋁合金殼體模態分析[J].應用技術，2018，9：71-73.

[2]賈宏偉， 賈宏禹，方勇，等.復雜薄壁結構件銑削加工變形有限元模擬機裝夾布局優選[J].長江大學學報（自然版），2015，12（1）：57-60，65.

[3]袁俊淞.復雜薄壁結構件銑削加工變形有限元模擬機裝夾布局優選[D].上海：上海交通大學，2011.

[4]莊茁，由小川，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M]. 北京：清華大學出版社，2009.