铝合金薄壁件加工变形的力学模型构建与研究分析

铝合金薄壁件加工变形的力学模型构建与研究分析
摘要：综合考虑薄壁件粗精加工工序，建立了薄壁件铣削加工全过程三维有限
元模型，系统地研究了残余应力施加、切削力建模及动态加载、材料去除等加工
过程建模所涉及的关键技术。

通过自行构建的加工仿真平台，对处在不同毛坯初
始残余应力分布情况下的薄壁件分别进行了加工过程模拟。

仿真结果表明，加工
过程中残余应力对切削力引起的薄壁件加工及变形具有重要影响，较大的初始残
余应力导致薄壁件侧壁首末自由端附近产生加工变形波动,容易引起或加剧切削振动，严重影响其加工精度及表面质量。

关键词：铝合金薄壁；加工变形；力学模型；构建
引言研究发现构件的加工变形与构件类型、材料类型和加工工艺有关，在变形预
测方面，国内外进行过大量研究，考虑在材料毛坯初始状态和构件形状处于初始
板材的位置情况下，预测零件的最终变形。

基于刚度与应力演变机制，借助实验
和有限元模拟方法建立了整体结构件的加工变形预测理论模型。

目前，构件变形
预测多是基于非线性有限元仿真研究，仿真建模与实验存在一定差距，因此，开
展基于加工变形的薄壁件力学模型研究，建立应力分布与变形的数学关系，对指
导初始加工材料的选择，加工工艺的确定以及表面处理工艺的制定有重要意义。

本文对薄壁构件加工应力分布下的变形机制进行力学分析与模型构建，推导出薄
壁构件应力变形数学模型。

1.模型构建
1.1薄壁件应力分布
以等壁厚型薄壁框架件为研究对象，分析其在长度方向上的纯弯曲变形。

若
制备后构件上应力均以压力应力形式存在，其在薄壁和底部沿长度方向(Y方向）
上的应力。

薄壁构件的薄壁与底部表面会出现一层深度较浅而强度较大加工表面
应力，其与厚板初始应力共同形成了此类框架件在长度方向上的应力分布格局。

需要注意的是表面应力与初始应力的分布差异很大，表面应力强度大但分布浅，
而初始应力强度很小，属于结构性应力分布。

1.2力学模型数学解析
由对称加工的特点，可将薄壁框架件在Y轴线沿Z方向上弯曲变形挠度值为
计算目标.一般情况下，在X正交方向上分布肋板，其厚度相对构件长度尺寸很小时，其对长度方向的影响可忽略不计。

沿F方向分布的内应力作用机制近似，薄
壁件模型简化为梁件，则沿Y方向内应力产生的弯曲变形。

2.实验与分析
由于构件加工后改变了板坯几何尺寸和初始应力分布，且还有附着的外场加
工应力的影响，框架内应力分布差异比较复杂，构件的变形通过函数直接解析很
难获得。

因此，可以通过实验的方法，首先获得应力变形的分布状况，再构建适
合这类构件的解析函数，以确保函数预测的准确性。

2.1实验设计
加工变形主要受应力分布影响，通过铣削和喷砂实验来改变构件应力场分布，从而获得变形，以此来验证上述数学模型的有效性。

铝合金厚板经过固溶处理和
预拉伸处理，板坯尺寸为500mm×108mm×60 mm，弹性模量为71GPa，厚板铣削
时采用真空吸附夹具夹紧，以减小装夹力对构件造成的变形影响加工后构件尺寸，试样薄壁厚为2mm，底部厚度6mm，侧壁厚度为2mm ，肋板厚度为21mm。

随后，对试样薄壁和底部先后进行表面全覆盖的喷砂处理，参照零件喷丸强化标准，
喷砂时选用石英砂为喷料，喷料规格为0.5mm，喷射压力为0.3 MPa，喷射距离
为80mm，垂直构件表面喷射。

喷砂会改变构件表面的应力大小，促使构件变形，这样可以获得铣削加工和喷砂处理的变形试样。

铣削加工前后以及喷砂前后的构
件在长度方向（Y方向）的挠曲线使用三标测量仪扫描获得。

扫描时精度为
1pm/m，步长10 mm。

毛坯板内初始应力可以采用逐层铣削方法，通过应力释放
后的变形反求结构残余应力分布，这种方法针对规则厚板类毛坯件非常有效。

而
表面应力则利用化学逐层腐蚀后，采用PR0T0-X射线衍射表面应力测试仪测量获得，具体方法为:在铣削加工和喷砂后的试样表面先利用5%的Na0H溶液逐层腐
蚀到不同深度，再利用XRD测量表面应力，以获得表面逐层深度上的应力分布。

2.2初始应力测试实验
实验采用的材料是7075铝合金厚板，经过T651处理，板坯尺寸500 mmx230 mmx60 mm.首先，获得铣削前厚板初始应力，由X射线衍射法测得其表面应力强度，为初始应力标定块的尺寸以及测试点位置。

测得标定块中间区域X方向平均
应力为-10MPa。

铝合金厚板内部残余应力通过层削法沿厚度方向按照一定增量厚度，通过铣削加工剥除带有应力的厚度层，从而使试样基体应力平衡状态发生改
变而变形，将测得的变形反求计算出剥离层应力值，获得构件初始应力分布函数，为退火板层削法实验应力应变图，可以看到，铝合金厚板沿厚度方向残余应力分布，应力值在±5 MPa之间。

2.3微米厚度的PVD涂层
微米厚度的PVD涂层是切削过程中的关键组成。

基于c基体和优化后的几何
结构开展涂层选择和应用的优化。

初始优化后的涂层有AlCrXN涂层、TiAlCrN涂
层和TiAIN涂层。

选用基体优化相同的切削参数进行测试,加工300min后的刀具
磨损情况较好。

可见，从磨损形式和磨损值来看,AlCrXN 涂层表现出了最好的切削性能，因此，选择该涂层。

3.结果与分析
3.1实验结果
构件的初始态、铣削加工、薄壁喷砂和底部喷砂4种状态下，长度方向（Y
方向）挠曲线分布，横坐标长度做了归一化处理，构件实际长度为500 mm。

构
件变形最大位置与计算结果一致，处于构件中间位置。

相比初始状态，铣削加工
后的构件出现了拱曲变形，中间位置的最大挠度增大了 68 米。

随后，在薄壁上
采用喷砂处理，构件出现了进一步拱曲变形，中间位置最大挠度增大128 m。

当
在构件的底部采用同样喷砂工艺后，构件中间位置最大挠度值开始减小约33m。

3.2结果分析
针对上述实验结果，运用解析函数进行验证。

当构件整体尺寸一定时，以薄
壁和底部厚度为自变量，构件在F方向上的中性面位置与截面惯性矩变化，试样
长度方向的弯曲中性面离构件底面距离为10.5mm。

虽然喷砂应力影响深度只有120m，但其造成的构件变形却接近铣削加工变形的2倍。

在实验过程中，薄壁件在铣削加工、喷砂过程中的整体应力分布变化中，铣削加工和喷砂处理均会造成
构件整体应力大小及其分布的改变，导致构件原有结构下应力平衡的破坏，使总
弯矩不为零，从而造成构件变形，同时，应力分布向平衡态转变。

被铣削加工和
喷砂处理后的框架件表面会出现一层深度较浅但强度较大的压应力，作用深度约
为120m，应力分布测试结果，可得到构件在初始态、加工后、薄壁喷砂后和底
部喷砂的4个状态下总应力。

结语
(1)所建立的薄壁件铣削加工有限元模型，考虑了粗精加工阶段材料去除引起的毛坯初始残余应力重新分布和切削力的综合作用对侧壁加工变形的影响，较已有的有限元模型，加工过程模拟更贴近工程实际.
(2)较大的毛坯初始残余应力分布将导致加工过程中薄壁件侧壁首末自由端附近产生加工变形波动，容易引起或加剧切削振动。

因此，必须严格控制毛坯初始残余应力，抑制其对加工变形的影响。

(3)铣削加工过程动态物理仿真有限元模型有待进一步完善。

薄壁件加工变形受残余应力、铣削力、铣削热、装夹以及加工工艺等综合因素的影响，需要进一步考虑各种因素的影响，完善目前的有限元模型，使三维加工过程仿真更加真实，模拟结果更加可靠。

参考文献
[1]万敏.薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究[J].航空学报，2005(5)：598-603.。