摘要
主要针对残余应力诱导工件变形进行研究分析,建立三维有限元铣削模型,考虑进给量与背吃刀量导致的残余应力对变形的影响,将仿真残余应力融入模型,研究其与变形的关系,并通过实验验证仿真可靠性。结果表明,随着每齿进给量的增大,工件表面(d=0)在X和Y方向上的残余压应力均相应随之增大,当测试点与表面距离d>10 μm时,残余应力基本保持不变;随着背吃刀量的增加,工件表面在X和Y方向的残余应力均相应随着增大;蒙皮变形量随着每齿进给量的增加而增加,随背吃刀量的增大而增大。仿真与测试结果对比表明,加工变形趋势基本一致,佐证了建模的可靠性。
飞机独特的性能要求零件质量轻、寿命长、耐高温和抗腐蚀
航空结构件在加工过程当中,切削力直接影响零件的变形与表面加工质
切削力是影响工件变形的主要且直接因素,残余应力是影响工件变形的主要且间接因素,本文主要针对残余应力诱导工件变形进行研究分析。蒙皮加工属于典型的减材制造,本文通过建立有限元三维仿真镜像铣削模型,综合考虑进给量和背吃刀量因素产生的残余应力对工件变形的影响,将仿真得到加工残余应力施加到模型之中,实现加工残余应力与变形的研究,并通过加工实验数据验证仿真结果的可靠性。
蒙皮工件材料采用TC4合金,物理属性见
密度/kg· | 弹性模/GPa | 泊松比 | 熔点/℃ |
---|---|---|---|
4430 | 113 | 0.34 | 1650 |
钛合金蒙皮切削过程是复杂的热力耦合过程,存在着大变形、高应变率现象,仿真模型中选择合适的本构模型能对实际加工较为准确地描述,因此材料本构模型的选择最常用的Johnson-Cook本构模型,模型参数见
A/MPa | B/MPa | n | C | m |
---|---|---|---|---|
875 | 793 | 0.386 | 0.01 | 0.71 |
D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
---|---|---|---|---|
-0.09 | 0.25 | -0.5 | 0.014 | 3.87 |
在切削过程中材料会受到塑性屈服等因素的影响,需要借助材料力学中的行为描述模拟结构的瞬时响应参数。Johnson-Cook 本构模型是在材料和温度二者之间建立起来的一种满足Mises塑性变形准则的模
(1) |
式中,
Johnson-Cook材料模型本构方程(2
(2) |
式中,是von Mises流动应力;是等效塑性应变;是等效塑性应变率;是参考应变率,;Th=是无量纲温度;Tm是熔点,Tm=1 680℃;Tr是室温,Tr=20℃;是材料的应变率强化效应;是材料的热软化效应;A,B,C,m,n是材料的本构方程参数。
模型仿真与本构模型之间的关系方程(3
(3) |
式中,材料内部流动应力σ,应变力ε,等效塑性应变率和温度T。
在仿真过程中,随着刀具的前进,工件材料发生塑性流动,网格单元产生畸变,最终导致运算精度下降甚至提前终止计算,因此运算重需要不断地调整网格,故采用网格自适应划分技术,能够比较好地实现网格优化。采用塑性变形功率作为重画准则,具体表现为方程(4
(4) |
式中,为单元的域;WP为塑性功率密度,。
在黏性区域与滑动区域中刀具和工件之间满足的库伦摩擦定律,具体表现为方程(5
(5) |
式中,τf为摩擦应力,μ为摩擦系数,σn为接触正应力,τs为剪切流动应力。
蒙皮采用1 000 mm×800 mm×2 mm的TC4钛合金蒙皮,为了减少仿真运算时间,仿真工件为50 mm×50 mm×2 mm;仿真刀具D16R3,刀柄长度为30 mm;支撑头是直径为16 mm,倒角半径为3 mm,长度为30 mm的圆柱体。参考现场装夹方式,对模型进行四周边界施加约束。通过ABAQUS仿真软件的预应力进行施加仿真后的残余应力,最后通过仿真实现加工残余应力对TC4薄壁件的加工变形仿真。
用有限元软件ABAQUS完成仿真建模。设置:模型的边界条件及原始状态(刀具与工件表面距离0.5 mm),刀具为刚体,工件为弹性材料,环境温度为26℃,接触为面-面接触,且工件选择点集、刀具选择面集、网格划分选择自适应划分技术。

图1 三维镜像铣削示意图
Fig.1 Schematic diagram of 3D mirror milling

图2 工件、刀具建模图及仿真结果示意图
Fig. 2 Workpiece and tool modeling diagram
实验采用单因素测试法。第Ⅰ组:1~3号实验为了说明背吃刀量较小时,每齿进给量对残余应力及变形的影响;第Ⅱ组:2、4号实验为了说明中等进给量和中等背吃刀量对残余应力及变形的影响;第Ⅲ组:3、5、6号实验为了说明每齿进给量较大时,背吃刀量对残余应力及变形的影响。具体实验设计参数及分组见
组别 | 序号 | ap/mm | fz/mm· |
---|---|---|---|
Ⅰ | 1 | 0.2 | 0.2 |
2 | 0.2 | 0.3 | |
3 | 0.2 | 0.5 | |
Ⅱ | 2 | 0.2 | 0.3 |
4 | 0.3 | 0.3 | |
Ⅲ | 3 | 0.2 | 0.5 |
5 | 0.3 | 0.5 | |
6 | 0.4 | 0.5 |
实验加工机床采用镜像铣机床,刀具选D16R 3PCD硬质合金立铣刀。试验及测量设备见

(a) 实验加工零件图

(b) 零件装夹整体图

(c) PCD刀具

(d) 变形测量三坐标工作台

(e) 加工总控状态

(f) PROTO X射线衍射仪

(g) 电涡流分布
图3 试验及测量设备
Fig.3 Experimental and measuring equipment
支撑头和加工头分布在蒙皮的两侧,加工时是协同运动,通过在机测量、支撑头和加工头控制蒙皮的厚度。在进行有限元仿真时是理想状态,实际加工中的尺寸与仿真工件的尺寸的大小并不影响,影响仿真可靠度的是仿真时工件材料属性以及加工头和支撑头运动参数的设定。
首先,进行三维建模仿真,分析每齿进给量,背吃刀量对X、Y方向产生的残余应力对蒙皮零件变形的影响;其次,整理数据后设计实验方案进行加工实验;最后,对实验数据与仿真数据进行分析对比(本文数据采用多次测量取其均值)。
分别以每齿进给量为0.2、0.3、0.5 mm/z进行切削实验,

(a) X方向残余应力

(b) Y方向残余应力
图4 每齿进给量对表面残余应力的影响
Fig.4 Effect of feed per tooth on surface residual stress
其中,0.2~0.3 mm/z时,X方向上的表面残余应力增大11.39%,Y方向上的表面残余应力增大25.07%;0.2~0.5 mm/z时,X方向上的表面残余应力增大19.87%,Y方向上的表面残余应力增大74.47%;当数据点与表面的距离大于10 μm后,X与Y方向上的残余应力变化幅度均相对平缓,不再急剧变化;这是犁沟效
分别以背吃刀量为0.2、0.3、0.4 mm进行切削实验,

图5 背吃刀量对表面残余应力的影响
Fig.5 Influence of the amount of back cuton the surface residual stress
由
蒙皮在实际加工时中刀具的背吃刀量不是依据程序一成不变的,而是根据在机测量反馈实时调整的。背吃刀量越大,切削层厚度越大,切屑变长(由断碎的弧形切屑变为相连的弧形切屑),切削力也随之而变大,将加大刀具和工件之间的碰撞,随着材料的大量移除,加工后工件冷却并伴随着残余应力的释放导致工件变形;对于蒙皮工件加工时是四周装夹,背吃刀量越大,越容易发生让刀现象,导致工件表面不光整,残余应力分布不均,工件变形不规律。
结合实验实测数据,验证此次仿真建模所得仿真数值,其中图6(a)(b)中的各子图中的‘距离’表示测试点与加工表面的距离,三个子图依次是分别是第Ⅰ组、第Ⅱ组和第Ⅲ组实验中的一组。对应的实验序号分别是1、4和6。

(a) 每齿进给量在X向实测值与仿真值

(b) 每齿进给量在Y向实测值与仿真值

(c) 背吃刀量在X/Y向实测值与仿真值
图6 表面残余应力实测值与仿真值对比
Fig.6 Comparison of measured and simulated values of surface residual stress
由于仿真分析是在理想的情况下进行的,而实际加工中,各种因素耦合作用以及测量运输等因素使得测得残余应力与仿真不是完全相同。
通过迭代优化加工方案,从而减小加工残余应力,并用工件的变形作为判据标准研究残余应力对工件变形的影响。测试实验在三坐标工作台上完成。

(a) 每齿进给量

(b) 背吃刀量
图7 每齿进给量/背吃刀量对变形的影响
Fig.7 Influence of the feed per tooth/the amount of back engagement on the deformation

图8 变形量实测值与仿真值对比
Fig.8 Comparison of measured and simulated deformation values
由
由
通过飞机蒙皮镜像铣削的试验与仿真可知,加工变形趋势基本一致,据
实际测量的数据与仿真的数据有些许偏差,原因一:在实际加工过程中镜像铣削支撑测是由4个电涡流组成的[
首先,本文通过建立镜像铣削有限元仿真模型,模拟镜像铣削加工过程,主要研究了由每齿进给量和背吃刀量产生的残余应力对工件诱导变形的影响。其次,得到了在一定加工条件下的仿真结果,并根据模拟条件设计加工实验。最后,根据试验加工及测试得到的残余应力进行变形分析,结果表明:
(1)随着每齿进给量的增大,工件表面(d=0)在X和Y方向上的残余压应力均相应随之增大;当测试点与表面距离大于10 μm时,残余应力基本保持不变。
(2)随着背吃刀量的增加,工件表面(d=0)在X和Y方向的残余应力均相应随着增大。
(3)蒙皮变形量随着每齿进给量的增加而增加,随背吃刀量的增大而增大;通过仿真与测试结果对比,表明仿真的变形量趋势与实验加工后变形量的趋势基本一致。佐证了此次建模的可靠性。
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