弱刚度件加工变形分析与控制对策研究

!国家部委)十一五*预研项目’1-W0.0Z0.0W(

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其次%由于弱刚度构件的加工一般都需要大量的材料除去%这样改变了工件毛坯在成型过程中产生的材料残余应力的分布%为了达到新的应力平衡状态%工件在材料残余应力的作用下必然发生变形%这就是将加工完成的工件取出后一段时间发生变形的主要原因"这类变形对于复杂构件来说一般很不规则%一旦产生将很难校正"

另外%弱刚度构件在加工过程中产生的振动也是影响加工质量的重要因素"在实际生产中加工表面产生振纹%影响表面质量"

9典型弱刚度件加工变形规律分析

目前对于弱刚度件加工变形规律的分析主要采用数值模拟并结合加工实验验证的方法"对于弱刚度复杂构件加工变形%由于结构的复杂性%不同结构的工件其变形的规律也不一样%这给变形规律的分析带来了困难"因此通过对特征弱刚度构件的加工变形分析来说明弱刚度复杂构件的一般变形规律"9R 3

薄壁件的加工变形分析

薄壁类工件在弱刚度构

件中具有较强的代表性%其典型结构特点如图-所示"薄壁的加工主要采用铣削加工方法%在加工过程中由于薄壁的刚度小%在切削力的作用下极易发生沿壁面法向的变形%故而薄壁加工的形

状精度极难保证"文献#-b

a $通过建立相应的切削力模型%采用有限元数值模拟方法分析了薄壁加工过程中的变形规律%认为薄壁的最底端变形较小%工件的形状误差主要来自刀具的变

形%由底端向上%工件的倾斜变形成为影响形状误差的

主要因素"

为了深入了解薄壁加工过程中的变形规律%本文采用刚性建模法’忽略由刀具变形引起的加工误差%只考虑薄壁的变形(%利用通用有限元分析软件>

?L (8(.0c 0对薄壁腹板的加工变形进行数值模拟"在实际加工过程中薄壁采用侧吃

刀量’$H (小的加工工艺%从而在数值计算时忽略模型加

工前后厚度的变化"在铣削过程中切削力的作用比较复杂%由于其大小方向都在不

断的变化%给数值模拟带来

很大的困难"本文将切削力的作用方式做了一定的简化%将其分解为进给方向’I 2

(和垂直于加工表面方向’I ^(的两个力%如图W 所示"按照上述方法建立的有限元模型如图]所示%薄

壁为高.0&

&&厚.&&和长]0&&的铝合金’5

8.-(%采用(P 56f ]^单元%设置单元尺寸为0c ^&&j 0c ^&&j 0c ^&&"切削参数采用转速2000D e &*#%每齿进给量为0c

.&&"进行计算时将薄壁的两端和底部固定’假设同薄壁两端连接处刚度足够强(%计算时在进给方向’,方向(上施加如图-所示的移动载荷%每次移动后计算腹板的变形规律%整个过程计算结束后保存计算结果"

图^"为薄壁距离底端腹板不同高度时沿,向的

相应变形曲线"由图可知在薄壁的底部’即靠近腹板的位置(%在加工过程中其’向的变形量较小%随着越靠近顶部其变形量越大"不同位置的变形曲线反映在,\-0&&’即,方向薄壁的中间位置(处变形最大%由中间到两边变形逐渐减小"因此薄壁加工时在中间部位会产生让刀%加工完成后薄壁的实际形状为两端薄中间厚"图^J 为加工到距离J 端在,向的不同位置时沿]向的变形曲线"由于在计算时薄壁两端的

约束条件一样%因此其变形关于,\

-0&&的位置对称"由图^J 可知在薄壁底部变形较小%到顶部逐渐增

结合图^"和J 中的变形曲线

%可以画出薄壁在两端固定的情形下加工后所得的形状%如图1所示"薄壁的底部基本保证加工尺寸%顶部由于薄壁的弹性变形产生让刀%从而较厚%截面如图1中>面所示"在进给方向上%由于薄壁两端刚性较强%

中间较弱%因此靠近两端变

形较小%中间较大%加工后薄壁两端较薄%中间较厚"9R 9

通孔e 通槽零件的加工变形分析

此类构件加工特点是在薄板上加工大量通孔或通槽"对于此类零件通常采用悬空装夹%此法在板较厚的情况下基本能保证孔和通槽的加工质量"对于较薄的板%由于工件刚度低%加工过程中在轴向力的作用下%会发生如图a"所示的向下弯曲的弹性变形%加工完成后%工件恢复原来形状%此时加工完成的孔会发生如图a J 所示的上宽下窄的变形"

另外此类零件在周

期性切削力的作用下%容易产生振动%因此在加工时孔

壁容易产生振纹%影响加工质量"

:弱刚度构件加工变形控制对策

目前%针对弱刚度复杂构件加工工艺的研究还处于起步阶段%研究成果主要是针对具体的零件结构提出的解决方案"本文从控制弱刚度构件加工变形为出发点%综合考虑工件的装夹&切削参数&加工路径以及加工前后材料处理等各方面影响加工变形的因素%采取有效措施可以减小弱刚度件的加工变形提高其加工质量"

’.(分析零件结构%确定合理的定位夹紧方案%进行夹具设计

对弱刚度件装夹的一个重要原则是使夹紧力要尽量均匀地施加在工件上%并且要充分考虑夹紧的顺序对工件变形的影响"可以利用相变材料对工件进行柔性装夹%即将工件放入液态的相变材料中%并保留待加工面%定位好后通过降温或电磁场方式使相变材料由液态变为固态%将工件固定住"这种装夹方法的优点是使整个工件的夹紧力均匀且受力面积大%特别适用

于薄壁件的加工"图2为加工厚0c

^&&腹板时采用磁流变液柔性夹具示意图%工件的一面加工完成后%将

其反过来放入磁流变液中%加磁场后磁流变液变为固相%可对腹板起支撑作用%然后加工另一面完成腹板加工"此法可有效减小腹板加工过程中的变形"

’-(确定合适切削参数和加工路径%编制数控程序

研究表明切削力的大小同工艺参数紧密联系%选择合适的切削参数可以减小切削力"目前%高速切削技术的应用可以有效地减小切削力%同时也可以降低切削温度从而减小由热应力引起的变形"但现在对于高速加工过程中切削参数对切削力影响规律的研究还