铝合金航空薄壁框铣削变形预测研究

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1、铝合金航空薄壁框铣削变形预测研究PredictionResearchintoMillingStressandDeformationoftheThin-WalledAviationBoxofAluminumAlloy尹飞鸿1、2,唐国兴2，陈志伟1，干为民2YINFei-hong1、2,TANGGuo-xing1,CHENZhi-wei1,GANWei-ming2（1.常州工学院机电工程学院，江苏常州213002；2.常州市特种加工重点实验室，江苏常州213002）摘要：铝合金航空薄壁框刚性差，铣削

2、加工过程中极易产生加工变形，影响工件加工精度和生产成本。本文利用有限元方法，模拟分析了铣削力对航空薄壁框类零件加工变形的影响，从控制航空薄壁框铣削加工变形的角度出发，分析了不同框体尺寸航空薄壁框的铣削应力与加工变形情况，得到了加工变形规律。本研究可为预测和控制航空薄壁框类零件的加工变形提供方法和依据，对航空薄壁框类零件的结构设计、缩短研制周期和进一步提高生产率等都具有重要意义。关键词：铝合金；薄壁框；铣削力；铣削变形；有限元分析中图分类号：TG4文献标识码：A文章编号：随着现代飞机性能要求的不断提

3、高，越来越多的铝合金整体结构件在航空制造业中被广泛采用，如整体薄壁框、梁、壁板及接头等，这是由于铝合金结构件具有整体性能优越、密度低、强度接近或超过优质钢且塑性好等特性。从制造角度看，整体薄壁框零件刚性差，切削力对加工精度的影响较为显著，加工时在铣削力的作用下极易发生加工变形，影响工件加工精度和成本。所以，预测和分析航空整体结构件加工变形具有十分重要的意义。由于航空薄壁零件的铣削加工变形问题非常复杂，其加工变形涉及到毛坯材料本身的残余应力及其分布、装夹方式和装夹应力、铣削方式和顺序等等，本文借助于

4、有限元软件仅仅模拟了切削力作用下7075-T651薄壁框零件精加工过程中的变形情况，分析了其变形规律，通过改变薄壁框零件的长度和宽度进行铣削有限元分析，得到了薄壁件的尺寸与加工变形间的关系，分析结果对实际铣削加工具有重要的指导意义。1薄壁框铣削模型1.1几何模型从第三代飞机开始大量采用了如图1a所示的整体框类结构件[1-3]。文章时分析考虑到计算机的局限性和运算速度，取单一铝合金航空薄壁框进行分析，模型尺寸取：内壁长80mm，宽40mm，高20mm，壁厚4mm，如图1b所示。为了便于后续的计算和分

5、析，规定坐标系的方向如下：1)沿刀具进给方向为X正方向(即工件长度方向)；2)沿刀具轴向远离工件方向为Z正方向(即工件厚度方向)；3)根据X轴和Z轴的方向并利用右手定确定Y正方向(即工件宽度方向)。a）典型航空薄壁框结构b）单一航空薄壁框模型图1薄壁框几何模型1.2铣削力模型准确的铣削力模型是研究加工变形的关键工作，虽然力学法建立的切削力模型有很多形式，一般习惯于以刀具的坐标ｘ，ｙ，ｚ方向来表示切削力，故将切削力理论值变换到刀具坐标的ｘ，ｙ，ｚ方向[4-8]。文献[9]采用四因素、四水平正交试验方

6、法，基于铣削速度、铣削宽度、铣削深度和进给量四个基本参数，通过参数的数学推导和矩阵简化法，在试验的基础之上，建立了基于铝合金材料7075-T651的数控三向铣削力经验公式。因此本文采用文献[9]所建立的铣削力经验公式进行数值分析。其铣削力模型如下：式中：d为刀具直径，z为铣刀齿数，ap为铣削深度，v为铣削速度，f为铣削进给量，aw为铣削宽度，k是与铣削液相关的修正系数，采用1：15的水和冷却油相混合铣削液时取0.62。2薄壁框铣削应力与变形有限元分析2.1基本假设由于薄壁框铣削加工变形涉及的因素较

7、多[10]，在模拟过程中如果综合考虑各种因素，会导致求解过程十分复杂，甚至忽视掉重要的条件。因此，有必要对铣削加工模拟过程进行如下假设：(1)工件已消除了初始残余应力；(2)工件材料是完全各向同性材料，其变形是弹塑性的；(3)切削加工过程中，视机床、刀具、工装等工艺系统为刚体；(4)不考虑刀具的刃口钝化和磨损，视刀具始终锋利，不考虑刀具的几何角度对切削变形的影响，视刀具几何参数不变；(5)加工变形是工件在切削力作用下的变形引起的，不考虑热变形对薄壁框的影响。2.2铣削工艺参数及工艺路线本文选用W9

8、M03Cr4V立铣刀，铣削方式为顺铣内壁。铣刀参数：刀具直径d=l0mm，螺旋角β=300，齿数z=3。铣削用量：铣削深度ap为20mm，铣削速度v为200m/min，铣削进给量f为500mm/min，铣削宽度aw为2mm。工艺路线：首先进行粗加工，单侧将毛坯厚度铣削到10mm，然后进行精加工，走刀路径采用从左到右的走刀路径。2.3有限元模型的建立及分析策略目前有限元建模过程基本上是借助CAD软件或有限元软件来完成。利用有限元软件与CAD软件接口直接引入CAD模型往往导致模型的变化