本文探討了數(shù)控加工薄壁零件變形的分析仿真相關(guān)內(nèi)容。

　　機(jī)械加工系統(tǒng)在實(shí)際加工中并不是一個(gè)剛性系統(tǒng)，而是由工件、刀具、機(jī)床設(shè)備所組成彈塑性體，在力、扭矩、溫度的影響下它們都會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。在薄壁零件加工中，對(duì)工件尺寸影響最大的主要是工件本身的受力變形。使工件產(chǎn)生變形的力主要是切削力和裝夾力，本文重點(diǎn)分析討論切削力對(duì)工件加工變形的影響情況。我們知道，切削力的大小主要與零件材料、切削參數(shù)、刀具參數(shù)等因素有關(guān)。在加工材料和刀具參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，切削參數(shù)的選擇，對(duì)加工變形有直接的影響。如果只憑經(jīng)驗(yàn)來選擇這些參數(shù)，那么，工件的變形是否在公差范圍內(nèi)事先就無法確定，而通過對(duì)切削力進(jìn)行估算后，再在有限元軟件中進(jìn)行力變形分析仿真，那么這些切削參數(shù)是否合適，就可預(yù)先知道。這種通過計(jì)算仿真的方法對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)意義。

　　1 薄壁零件銑加工受力分析

　　盒體薄壁零件加工通常采用銑削的加工方式，因此。我們主要分析討論銑削時(shí)工件的受力情況。銑削時(shí)刀具和工件的受力情況如圖1所示。銑刀的每一個(gè)刀齒相當(dāng)于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車削相似。但銑削是斷續(xù)切削，每個(gè)工作刀齒都受到切削力，銑削合力應(yīng)是各刀齒所受切削力相加。由于每個(gè)工作刀齒的切削位置和切削面積隨時(shí)在變化，為了便于分析，一般假定銑削力的合力作用在某個(gè)刀齒上，并將銑削合力分解為三個(gè)互相垂直的分力，如圖的Fy、Fx和Fz.其中行是在銑向上的分力，消耗功率最多，是主切削力。

　　作用在工件上的切削合力應(yīng)與銑刀受到的合力大小相等，方向相反。一般按機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)互相垂直的分力，如圖中的縱向分力Fe、橫向分力Fc和垂直分力Fv。在薄壁零件加工中我們主要關(guān)心垂直分力Fv對(duì)工件產(chǎn)生的變形情況:如在鋁合金盒體零件加工中，采用立銑刀順銑的加工方式，加工內(nèi)腔和外形，由于垂直分力FW的作用，將使被加工表面沿受力方向發(fā)生彈性變形，剛度最差的地方，工件變形最大，F(xiàn)v消失后，在彈性力的作用下恢復(fù)變形，其結(jié)果盒體零件表現(xiàn)為內(nèi)腔尺寸偏小;在鋁合金平板類零件的加工中，垂直分力Fv作用在加工表面上，由于工件反面同時(shí)受到夾具支撐力的作用，沒有產(chǎn)生較大的變形，但在工件表面留下了加工應(yīng)力，裝夾力去除后，薄壁工件在殘余應(yīng)力的作用下，使工件產(chǎn)生變形。

　　銑削時(shí)，F(xiàn)e、Fc和Fv與主切削力抑之間有一定的比例關(guān)系，因此，求出主切削力之后，便可以計(jì)算出Fe, Fc和Fv。

　　2銑削力的計(jì)算

　　由于切削是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，切削時(shí)作用在刀具上的力，主要由三個(gè)變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的彈性變形抗力、塑性變形抗力以及切屑、工件與刀具間的磨擦力兩個(gè)部分組成。和這些變形抗力和摩擦力大小有關(guān)系的是工件材料特性、切削速度、進(jìn)給量和刀具參數(shù)、材料等因素，理論上無法直接給出切削力的精確計(jì)算公式。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，常常是在一個(gè)特定的工況下，通過大量實(shí)驗(yàn)，由測(cè)力儀測(cè)得切削力后，對(duì)所得數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，從而得出計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。其中常用的一類公式是指數(shù)公式。高速鋼銑刀主銑削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如表1所示。

　　該表的實(shí)驗(yàn)條件是:前角γo =5°、主偏角Kτ=75°、刃傾角λ=5°、后角ao=6°、副偏角Kτ=15°,螺旋角β=30°.其中，ae為側(cè)吃刀量，即垂直于銑刀軸線測(cè)量的切削層尺寸，單位是mm。端銑時(shí)，側(cè)吃刀量為被加工表面寬度;圓周銑削時(shí)，側(cè)吃刀量為切削層深度。ap為背吃刀量，即平行與銑刀軸線測(cè)量的銑削層尺寸，單位是mmo端銑時(shí)，背吃刀量為切削層深度;圓周銑削時(shí)，背吃刀量為被加工表面寬度，見圖2.af為每齒進(jìn)給量，即銑刀每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí)，工件與銑刀沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移，單位是mm/z。 d為刀具直徑，單位是mm。z刀具齒數(shù)。

　　3變形數(shù)值仿真

　　根據(jù)加工參數(shù)估算得到工件上受到的銑削力后，再根據(jù)零件裝夾方式，我們就可以利用COSMOS有限元分析軟件對(duì)零件進(jìn)行受力變形的數(shù)值仿真，邊界條件取決于裝夾方式，載荷取決于銑削力。下面舉例介紹仿真的情況。圖3是某機(jī)載設(shè)備框架零件，材料LFS，外形尺寸320mmx280mmx37mm. A處壁厚2±0.20mm， B處壁厚2.4±0.20mm，是典型薄壁易變形零件。本文只仿真A處受力變形的情況。

　　該零件在Bridge VMC三軸銑加工中心上加工，用虎鉗在280尺寸方向裝夾，加工軌跡采用等高輪廓銑削，加工方式為順銑，刀具為直徑фlOmm高速鋼鍵槽銑刀。主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，每齒進(jìn)給量af=0.01 mm/r ,(此時(shí)進(jìn)給速度Vf=120mm/min，切削速度Vc=188m/min)，背吃刀量ap=8mm，側(cè)吃刀量ae=2mm，根據(jù)上面公式計(jì)算得到:A處主銑削力Fy=28.5N,垂直分力Fv=22.8N.

　　在進(jìn)行有限元分析前，一般要對(duì)零件模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，這一步很重要，如果把沒有經(jīng)過簡(jiǎn)化的零件模型直接作有限元分析，往往要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，甚至?xí)型井a(chǎn)生錯(cuò)誤而無法進(jìn)行下去。為了竟可能接近實(shí)際情況，在這個(gè)零件中，我們只是對(duì)裝夾面上的開孔和所有的螺紋進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后模型如圖4所示。在邊界條件的設(shè)置中，使1 2兩個(gè)面的位移、扭矩為零，力載荷分別作用在③和④兩個(gè)面上。進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分后，提交COSMOS/FFE Static Solver進(jìn)行計(jì)算，得到的分析結(jié)果如圖5所示，a)和b)最大變形量分別為0.175mm和0.328mm。

　　把載荷加在③上，是仿真左腔先加工完成的情況:把載荷加在④上，是仿真右腔先加工完成的情況。這兩個(gè)對(duì)比可以看出，由于加強(qiáng)筋在左側(cè)，因此，先加工左腔較為合理.分析結(jié)果得知:當(dāng)選用前面的加工切削參數(shù)時(shí)，先加工左腔后加工右腔，可以使A處的變形控制在公差范圍內(nèi)。

　　4說明

　　1)從主切削力的估算公式得知，當(dāng)主切削力為28.5N時(shí)，除上述參數(shù)外，還可以有別的組合，如af=0.05mm/r, ap=2.54mm, ae=2mm，或at=O.lmm/r, ap=2.8mm, ae=lmm，都可以滿足要求，可根據(jù)不同的情況靈活選用。

　　2)當(dāng)御一定時(shí)，提高主軸轉(zhuǎn)速可以提高進(jìn)給速度，但主切削力可以保持不變;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，降低進(jìn)給速度，ar會(huì)同時(shí)降低，并使主切削力降低，這是數(shù)控加工中常用的減少變形的方法。

　　3)實(shí)際加工中，由于刀具參數(shù)并不一定能和實(shí)驗(yàn)使用的刀具參數(shù)完全一致，加上刀具磨損的原因，因此，估算得到的主切削力和實(shí)際會(huì)有一些偏差。