CN104077442A - 基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，包括以下步骤：1）对大型整体薄壁结构件提取局部结构特征；2）对局部结构特征有限元仿真分析，得到优化的切削工艺；3）对大型整体毛坯件数值建模，并加载初始内应力；4）拟定刀具轨迹，即拟定各个特征结构的加工顺序；5）整体结构件仿真分析，得到工艺技术条件下的预测变形结果；6）调整及优化装夹方案，控制加工变形；此方法采用有限元仿真的方法，能够在实际加工零件之前进行提前分析预测，从而调整相应的加工策略，有效控制加工变形，缩短零件的生产周期，降低生产成本。

Description

基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法

技术领域：

本发明属于机械加工领域，具体是一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法。

背景技术：

目前现代航空航天产品在选择高比强度材料的同时，大量采用具有较低结构重量比的整体结构。整体结构具有重量轻，刚度高，可靠性好等优点，但是整体结构件由单一毛坯切削加工而成，材料利用率低，在去除大量材料的同时，由切削力和切削热引起的整体结构件局部尺寸超差，外形轮廓达不到精度要求，并且加工过程中也释放了大量的残余应力，引起整体结构件外形变形严重，影响产品的装配和使用性能。现有的大型薄壁结构件加工变形控制方法，一是边试切边调整的方法，这种方法常常会导致零件加工周期过长，而且加工的零件产品质量不稳定，且较强的依赖操作技术人员的经验；二是通过零件加工过程中内部应力相互抵消的方法来控制加工变形，这种控制方法只能对具有双面对称结构的零件加工才有效，适用性比较狭窄，而且并不能完全保证零件的加工精度，零件尺寸超差问题严重。三是通过零件加工后校正的方法去除零件变形，即在中间工序酌情增加校正工序或使用专用工装。这种校正的方法是依靠外部施加应力的方法去除变形，这种方法严重的影响零件内部材料组织结构，同时校正过程中常会出现裂纹，应力分布不均的情况，严重影响零件的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型整体薄壁结构件加工精度控制的方法，该方法是在零件投入生产之前，预先对零件加工过程中所采用的切削工艺条件导致的零件局部结构尺寸超差和整体结构件加工变形等问题进行一系列的分析和预测，然后根据分析预测的结果，调整相应的切削工艺措施，进而控制整体薄壁结构件的加工精度。此方法不仅可以在多种结构零件上都能得到比较好的应用，适用性广泛，而且还能缩短零件生产周期，降低生成成本，提高产品的质量。

实现本发明目的技术方案如下：一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，包括以下步骤：

1）提取大型整体薄壁结构件的局部结构特征，即组成此类薄壁结构件的基本特征单元，包括侧壁、腹板的尺寸信息；

2）对提取出的局部结构特征进行有限元仿真分析，包括局部结构特征的有限元建模、有限元前处理、分析运算以及结果后处理；

2.1对提取出的局部结构特征和设置的切削工艺条件进行有限元建模；

2.2对建立的有限元模型赋予材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷；

2.3采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解得到在一定的切削参数和切削路径条件下的加工变形预测结果；

2.4将运算完成的结果以可视化的形式输出，调整切削工艺条件，返回步骤2.1，直至达到所设定的迭代次数；

2.5对得到的结果进行对比分析，选出导致局部结构特征加工变形最小的一组切削工艺条件。

运算分析是将有限元前处理设置的数据利用有限元软件abaqus中自带的算法求解器进行求解，结果后处理是将运算完成的结果以可视化的形式输出，如结果云图、曲线图、表格等，然后调整切削工艺条件，重新仿真分析，得到相应的加工变形预测结果；然后对得到的结果进行对比分析，选出导致局部结构特征加工变形最小的一组切削工艺条件； 

3）对大型整体薄壁结构件所用的毛坯进行有限元建模，并加载初始内应力；加载初始内应力的步骤包括测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力；毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量，毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算，计算公式为                                               ，其中，为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，σ为x=时的应力值，h为毛坯总厚度；毛坯整体残余内应力根据“力平衡、力矩平衡”的原则进行加载；

4）拟定刀具轨迹，即拟定各个局部特征结构的加工顺序；分别采用顺序铣削方式、奇偶铣削方式、环形铣削方式、对称铣削方式拟定初始刀具轨迹。按照各个特征结构铣削顺序的不同，分为顺序铣削方式、奇偶铣削方式、环形铣削方式、对称铣削方式；

5）对建立的整体结构件毛坯模型进行仿真分析，得到不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果； 

6）调整及优化装夹方案，控制整体加工变形。

所述步骤5）中整体结构件的仿真分析包括有限元前处理、运算分析以及结果后处理：

5.1对建立的整体结构件毛坯模型进行有限元前处理，包括根据不同的刀具轨迹赋予有限元模型材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷；

5.2采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解，得到不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果；

5.3将上述结果以可视化的形式输出，并对仿真结果进行对比分析，选出导致整体薄壁结构件加工变形最小的一组刀具轨迹方案。

有限元前处理包括赋予材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷，运算分析是将前处理设置的数据利用有限元软件abaqus自带的算法求解器做分析处理。结果后处理是将运算完成的结果以可视化的形式输出，如结果云图、曲线图、表格等。

所述步骤6）的具体方法如下：

6.1根据步骤5.3输出的不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果，对比得出零件加工变形最大的区域以及最大变形量；

6.2在变形最大的区域增加工艺压块、辅助支撑措施；具体的工艺压块、辅助支撑的形状、尺寸根据具体零件的外形确定；

6.3在整体结构件有限元模型中将变形最大的区域增加边界条件，限制相应自由度，采用有限元法对增加边界条件后的整体结构件有限元模型进行有限元运算分析，得到零件加工变形最大的区域以及最大变形量，返回步骤6.2，直至最大变形量达到所设定的值，得到最优的装夹方案。即将调整的数据提交给有限元软件abaqus算法求解器进行运算分析，得到零件加工变形最大的区域以及最大变形量，重复以上操作，使最终的加工变形达到加工精度技术要求，此时调整过后的装夹方案为最优的装夹方案。

本方法进行有限元仿真分析所采用的软件是大型通用仿真软件abaqus。

经过上述步骤的仿真分析，可得到的以下结果：步骤2）可得最优的切削工艺条件，步骤5）可得最优的刀具轨迹方案，步骤6）可得最优的装夹方案。

本发明与现有技术相比，其显著优点：大型整体薄壁结构件加工精度控制采取本发明的方案后，能够提前预测零件的加工变形趋势，从而调整和优化工艺措施，大大缩短零件的加工周期，降低生产成本，并且有效控制大型整体薄壁结构件的加工精度。

附图说明

图1为大型整体薄壁结构件的结构示意图。

图2为提取的局部结构特征示意图，（a）侧壁类局部特征结构示意图，（b）腹板类局部特征结构示意图。

图3为局部结构件加工变形示意图，（a）侧壁加工变形示意图，（b）侧壁有限元仿真结果示意图，（c）腹板加工变形示意图，（d）腹板有限元仿真结果示意图。

图4为毛坯模型初始残余应力场。

图5为大型整体结构件加工刀具轨迹安排示意图。

图6为大型整体结构件加工变形仿真结果示意图。

图7为大型整体结构件最优的装夹位置点示意图。

图8为大型整体结构件工艺压块形式装夹示意图。

图9为基于有限元分析控制零件加工精度的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，如图9为基于有限元分析控制零件加工精度的流程图。

1）根据整体结构件的特征结构，如图1所示，此结构件总长为2000mm，最大宽度为300mm，槽腔的侧壁和腹板厚度均为2mm，材料为航天产品常用的铝合金2124，零件属于典型的大型薄壁结构件。从整体结构特征中提取出两种典型的局部特征，分别为侧壁特征和腹板特征，如图2所示。侧壁特征的尺寸为：长300mm，高30mm，厚2mm，腹板尺寸信息为：长400mm，宽300mm，厚2mm；

2）根据提取出的局部结构特征，建立局部结构特征的有限元分析模型，进行仿真预测分析，得到在一定的切削工艺条件下的变形结果。如图3所示为两种局部特征结构的变形结果示意图，此变形结果是在切削工艺（Vc=120m/min，fz=0.2mm/z，ap=2mm，ae=2mm）的条件下模拟得到的，最大变形量为0.075mm。在仿真过程中，为了模拟出材料的去除效应，采用了“生死单元”技术，并进行了用户子程序的编写。然后调整切削工艺（切削参数、走刀路径等），重新仿真分析，直至使切削工艺达到最优的效果。经过仿真分析后，侧壁结构在切削工艺条件为Vc=500m/min,fz=0.2mm/z,ap=2mm,ae=5mm下，最大变形量为0.021mm，加工精度满足要求；腹板结构在切削工艺条件为Vc=500m/min,fz=0.2mm/z,ap=3mm,ae=4mm下，最大变形量为0.034mm，加工精度满足要求。

3）对整体结构件毛坯进行数值建模，并对实际使用的毛坯件进行初始残余应力测量及内部残余应力计算，并将初始残余应力加载到毛坯数值模型中。预拉伸板中初始残余应力场沿厚度方向一般呈“M”形分布规律，加载初始内应力的步骤包括测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力。毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量，毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算，计算公式为，其中，为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，σ为x=时的应力值，毛坯整体残余内应力根据“力平衡、力矩平衡” 的原则进行加载，如图4为铝合金预拉伸板毛坯施加残余应力后的应力场；

4）拟定刀具轨迹，安排大型整体薄壁件的各个特征结构的加工顺序；其原理在于各个特征结构的加工顺序不同，毛坯件内应力随着加工的过程释放顺序也不同，导致加工变形量大小也不同。按照各个特征结构铣削顺序的不同，分为顺序铣削方式、奇偶铣削方式、环形铣削方式、对称铣削方式，如图5为此薄壁件所拟定的按顺序加工的刀具走刀轨迹示意图，各个特征结构加工主要以层优先并结合局部结构特征的切削路径为设计思路。 

5）根据所拟定的切削工艺条件和刀具轨迹方案，设定相应的边界条件和约束条件，采用“单元生死”技术来模拟材料去除效应，并释放内部的初始残余应力，进行仿真变形预测，得到在此切削工艺条件、刀具轨迹条件下的加工变形预测结果，如图6为整体结构件变形结果示意图，得到此大型薄壁件在加工过程中最易变形的部位（图中圈中部位）以及最大变形量为0.965mm；

6）根据仿真分析得到的结果，输出零件加工变形最大的区域以及最大变形量，然后在变形最大的区域增加工艺压块、辅助支撑措施，具体的工艺压块、辅助支撑的形状、尺寸根据具体零件的外形确定，如图7所示为本实例长梁结构件所用的工艺压块形式。在有限元模型中将变形最大的区域增加边界条件和约束自由度，然后将调整的数据提交给有限元软件abaqus算法求解器进行运算分析，得到零件加工变形最大的区域以及最大变形量，重复以上操作，使最终的加工变形达到加工精度技术要求，此时调整过后的装夹方案为最优的装夹方案。图8为最终优化得到的需要安放工艺压块和辅助支撑的装夹位置点；

本发明的方法具有如下效果：

1）通过有限元仿真分析，能够根据所采用的切削工艺条件、装夹方案与刀具轨迹方案等，提前预测零件的加工变形量及部位，能够及时调整相关工艺措施，有效控制零件的加工变形；

2）通过有限元仿真分析的方法，可以预测出从毛坯件到零件最终的加工状态，避免了边试切边调整的策略，既避免了加工质量的不稳定，还能缩短零件的生产周期；

3）减少了校正工序的使用，可以避免因校正带来的材料组织破坏以及引起结构件内部裂纹的风险；

4）使用此方法可减少工装数量，既能保证装夹系统的稳定，又能节省因工装设计、制造带来的成本。

Claims (6)

1.一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）提取大型整体薄壁结构件的局部结构特征，即组成此类薄壁结构件的基本特征单元，包括侧壁、腹板的尺寸信息；

2）对提取出的局部结构特征进行有限元仿真分析，包括局部结构特征的有限元建模、有限元前处理、分析运算以及结果后处理； 

3）对大型整体薄壁结构件所用的毛坯进行有限元建模，并加载初始内应力；加载初始内应力的步骤包括测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力；

4）拟定刀具轨迹，即拟定各个局部特征结构的加工顺序； 

5）对建立的整体结构件毛坯模型进行仿真分析，得到不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果； 

6）调整及优化装夹方案，控制整体加工变形。

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于所述步骤2）的具体过程如下：

2.1对提取出的局部结构特征和设置的切削工艺条件进行有限元建模；

2.2对建立的有限元模型赋予材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷；

2.3采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解得到在一定的切削参数和切削路径条件下的加工变形预测结果；

2.4将运算完成的结果以可视化的形式输出，调整切削工艺条件，返回步骤2.1，直至达到所设定的迭代次数；

2.5对得到的结果进行对比分析，选出导致局部结构特征加工变形最小的一组切削工艺条件。

3.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于：所述步骤3）中毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量，毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算，计算公式为                                               ，其中，为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，σ为x=时的应力值，h为毛坯总厚度；毛坯整体残余内应力根据“力平衡、力矩平衡”的原则进行加载。

4.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于：所述步骤4）中分别采用顺序铣削方式、奇偶铣削方式、环形铣削方式、对称铣削方式拟定初始刀具轨迹。

5.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于：所述步骤5）中整体结构件的仿真分析包括有限元前处理、运算分析以及结果后处理：

5.1对建立的整体结构件毛坯模型进行有限元前处理，包括根据不同的刀具轨迹赋予有限元模型材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷；

5.2采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解，得到不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果；

5.3将上述结果以可视化的形式输出，并对仿真结果进行对比分析，选出导致整体薄壁结构件加工变形最小的一组刀具轨迹方案。

6.根据权利要求1或5所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于：所述步骤6）的具体方法如下：

6.1根据步骤5.3输出的不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果，对比得出零件加工变形最大的区域以及最大变形量；

6.2在变形最大的区域增加工艺压块、辅助支撑措施；

6.3在整体结构件有限元模型中将变形最大的区域增加边界条件，限制相应自由度，采用有限元法对增加边界条件后的整体结构件有限元模型进行有限元运算分析，得到零件加工变形最大的区域以及最大变形量，返回步骤6.2，直至最大变形量达到所设定的值，得到最优的装夹方案。