在数控加工中的薄壁零件变形分析和仿真

　　机械加工系统在实际加工中并不是一个刚性系统，而是由工件、刀具、机床设备所组成弹塑性体，在力、扭矩、温度的影响下它们都会产生不同程度的变形。在薄壁零件加工中，对工件尺寸影响最大的主要是工件本身的受力变形。使工件产生变形的力主要是切削力和装夹力，本文重点分析讨论切削力对工件加工变形的影响情况。我们知道，切削力的大小主要与零件材料、切削参数、刀具参数等因素有关。在加工材料和刀具参数已经确定的情况下，切削参数的选择，对加工变形有直接的影响。如果只凭经验来选择这些参数，那么，工件的变形是否在公差范围内事先就无法确定，而通过对切削力进行估算后，再在有限元软件中进行力变形分析仿真，那么这些切削参数是否合适，就可预先知道。这种通过计算仿真的方法对实际工作有一定的指导意义。

　　1 薄壁零件铣加工受力分析

　　盒体薄壁零件加工通常采用铣削的加工方式，因此。我们主要分析讨论铣削时工件的受力情况。铣削时刀具和工件的受力情况如图1所示。铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似。但铣削是断续切削，每个工作刀齿都受到切削力，铣削合力应是各刀齿所受切削力相加。由于每个工作刀齿的切削位置和切削面积随时在变化，为了便于分析，一般假定铣削力的合力作用在某个刀齿上，并将铣削合力分解为三个互相垂直的分力，如图的Fy、Fx和Fz.其中行是在铣向上的分力，消耗功率最多，是主切削力。

　　作用在工件上的切削合力应与铣刀受到的合力大小相等，方向相反。一般按机床工作台运动方向分解为三个互相垂直的分力，如图中的纵向分力Fe、横向分力Fc和垂直分力Fv。在薄壁零件加工中我们主要关心垂直分力Fv对工件产生的变形情况:如在铝合金盒体零件加工中，采用立铣刀顺铣的加工方式，加工内腔和外形，由于垂直分力FW的作用，将使被加工表面沿受力方向发生弹性变形，刚度最差的地方，工件变形最大，Fv消失后，在弹性力的作用下恢复变形，其结果盒体零件表现为内腔尺寸偏小;在铝合金平板类零件的加工中，垂直分力Fv作用在加工表面上，由于工件反面同时受到夹具支撑力的作用，没有产生较大的变形，但在工件表面留下了加工应力，装夹力去除后，薄壁工件在残余应力的作用下，使工件产生变形。

　　铣削时，Fe、Fc和Fv与主切削力抑之间有一定的比例关系，因此，求出主切削力之后，便可以计算出Fe, Fc和Fv。

　　2铣削力的计算

　　由于切削是一个非常复杂的过程，切削时作用在刀具上的力，主要由三个变形区内产生的弹性变形抗力、塑性变形抗力以及切屑、工件与刀具间的磨擦力两个部分组成。和这些变形抗力和摩擦力大小有关系的是工件材料特性、切削速度、进给量和刀具参数、材料等因素，理论上无法直接给出切削力的精确计算公式。在实际生产应用中，常常是在一个特定的工况下，通过大量实验，由测力仪测得切削力后，对所得数据用数学方法进行处理，从而得出计算切削力的经验公式。其中常用的一类公式是指数公式。高速钢铣刀主铣削力的经验计算公式如表1所示。

　　该表的实验条件是:前角γo =5°、主偏角Kτ=75°、刃倾角λ=5°、后角ao=6°、副偏角Kτ=15°,螺旋角β=30°.其中，ae为侧吃刀量，即垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位是mm。端铣时，侧吃刀量为被加工表面宽度;圆周铣削时，侧吃刀量为切削层深度。ap为背吃刀量，即平行与铣刀轴线测量的铣削层尺寸，单位是mmo端铣时，背吃刀量为切削层深度;圆周铣削时，背吃刀量为被加工表面宽度，见图2.af为每齿进给量，即铣刀每转过一个齿时，工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位是mm/z。 d为刀具直径，单位是mm。z刀具齿数。

　　3变形数值仿真

　　根据加工参数估算得到工件上受到的铣削力后，再根据零件装夹方式，我们就可以利用COSMOS有限元分析软件对零件进行受力变形的数值仿真，边界条件取决于装夹方式，载荷取决于铣削力。下面举例介绍仿真的情况。图3是某机载设备框架零件，材料LFS，外形尺寸320mmx280mmx37mm. A处壁厚2±0.20mm， B处壁厚2.4±0.20mm，是典型薄壁易变形零件。本文只仿真A处受力变形的情况。

　　该零件在Bridge VMC三轴铣加工中心上加工，用虎钳在280尺寸方向装夹，加工轨迹采用等高轮廓铣削，加工方式为顺铣，刀具为直径фlOmm高速钢键槽铣刀。主轴转速6000r/min，每齿进给量af=0.01 mm/r ,(此时进给速度Vf=120mm/min，切削速度Vc=188m/min)，背吃刀量ap=8mm，侧吃刀量ae=2mm，根据上面公式计算得到:A处主铣削力Fy=28.5N,垂直分力Fv=22.8N.

　　在进行有限元分析前，一般要对零件模型进行简化，这一步很重要，如果把没有经过简化的零件模型直接作有限元分析，往往要耗费很长的时间，甚至会中途产生错误而无法进行下去。为了竟可能接近实际情况，在这个零件中，我们只是对装夹面上的开孔和所有的螺纹进行了简化，简化后模型如图4所示。在边界条件的设置中，使1 2两个面的位移、扭矩为零，力载荷分别作用在③和④两个面上。进行网格自动划分后，提交COSMOS/FFE Static Solver进行计算，得到的分析结果如图5所示，a)和b)最大变形量分别为0.175mm和0.328mm。

　　把载荷加在③上，是仿真左腔先加工完成的情况:把载荷加在④上，是仿真右腔先加工完成的情况。这两个对比可以看出，由于加强筋在左侧，因此，先加工左腔较为合理.分析结果得知:当选用前面的加工切削参数时，先加工左腔后加工右腔，可以使A处的变形控制在公差范围内。

　　4说明

　　1)从主切削力的估算公式得知，当主切削力为28.5N时，除上述参数外，还可以有别的组合，如af=0.05mm/r, ap=2.54mm, ae=2mm，或at=O.lmm/r, ap=2.8mm, ae=lmm，都可以满足要求，可根据不同的情况灵活选用。

　　2)当御一定时，提高主轴转速可以提高进给速度，但主切削力可以保持不变;当主轴转速一定时，降低进给速度，ar会同时降低，并使主切削力降低，这是数控加工中常用的减少变形的方法。

　　3)实际加工中，由于刀具参数并不一定能和实验使用的刀具参数完全一致，加上刀具磨损的原因，因此，估算得到的主切削力和实际会有一些偏差。