基于ANSYS的薄壁框架静力学变形分析

在航空飞行器的结构设计与制造过程中，要求以提高结构件的强度与刚度、断裂韧性及抗应力腐蚀能力、降低飞行器的空重等为主要参数指标，这就使得铝合金材料在航空航天领域得到广泛应用。其中铝合金薄壁框架类零件（以下简称薄壁框架）在普通数控加工中极易产生弯曲、翘曲等加工变形，难以控制，不易保证加工精度。而工厂目前仍大量依赖传统的试切方式、基于经验的工艺参数选择，这些经验方法成本高、效率低、周期长，缺乏可操作性和量化分析，薄壁工件的加工质量不稳定。目前国内外很多学者对引起其加工变形的相关因素进行了研究，认为铣削力是影响加工变形的重要因素。因此，开展有关铝合金铣薄壁框架铣削力与加工变形关系的研究，对于提高加工精度、质量稳定性和加工效率具有重要的意义。本文将基于ANSYS有限元软件，针对特种材料7050铝合金薄壁框架的铣削力与加工变形的关系进行探讨。

一、7050铝合金铣削力的仿真实验

1.7050铝合金材料属性

7075铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系超硬合金，是在航空工业上得到广泛应用的超高强度变形铝合金。其特点是（表1），固溶处理后塑性好，热处理强化效果特别好，在150℃以下有高的强度，并且有特别好的低温强度；焊接性能差；有应力腐蚀开裂倾向；需经包铝或其他保护处理使用。双级时效可提高合金抗应力腐蚀开裂的能力。此合金具有良好的机械性能及阳极反应，是典型的航空用铝。

2.工件材料本构模型

从加工过程来看，切削加工工艺属于冷加工的范畴，但从切屑形成的局部来看，切削加工工艺具有高温、大变形的特点，为了耦合机械载荷和热载荷的相互作用，提出采用热弹塑性大变形有限元法。对于薄壁框架类零件来说，其典型特征是框架壁较薄，在切削过程中，切削液的冷却效果明显，可以使框架薄壁的温度不致过高，所以本文认为对于薄壁框架的铣削变形可以仅从弹塑性变形有限元法来研究。

金属切削过程是一个大塑性、高应变率变形过程，流动应力是温度、应变和应变率的函数。采用John-son-Cook强度模型来描述工件材料性能，该模型假设流动应力是应变、应变速率和温度的函数，综合考虑了多个方面的影响，是一个比较合理的材料模型。根据文献给出的7075航空铝合金J-C强度模型，其具体形式可以表示为：

采用DEFORM-3D的milling模块，针对7075铝合金的铣削力的大小进行仿真2。

通过上表可以看出，利用DEFORM-3D软件对7050铝合金切削过程中的切削力进行的有限元仿真分析，并同文献中的实验数据进行对比分析，结果表明DEFORM-3D软件所得仿真数据与理论计算结果吻合度较高，说明本文建立的DEFORM-3D铣削模型是可靠的。

二、利用ANSYS进行静力学仿真分析

1.ANSYS仿真模型的建立

假设薄壁框架的B梁需要进行铣削加工，由于刀具在切削过程中是连续走刀的，在计算切削力时把走刀过程离散成若干个切削位置，即在实际模拟时，为方便分析加工变形，可通过在节点上施加载荷来完成切削力的施加。将薄壁框架划分成六面体网格，将图1中B梁按照长度比例均分6份，依次等距取5个施加铣削力载荷的观察点，建立多组不同尺寸薄壁框架的有限元模型分别加载进行观察。XYZ三个方向的载荷大小，根据deform软件仿真获得的载荷最大值进行选取。不同壁长情况下的加工变形，如图2所示。

2.变形方案

依据薄壁框架的铣削加工变形规律，在不改变薄壁框架结构的基础上，控制铣削加工变形可以采取的方案有：

（1）优化装夹方案。改进装夹方案可以从装夹位置、夹紧力等方面来考虑，使装夹应力均匀，减小工艺变形，保证零件尺寸精度。

（2）优化切削参数。对切削速度、转速、进给量、切深等切削参数进行调整优化，可在一定程度上减小切削力，补偿变形。

（3）刀具路径优化。采用文献提出的主动修正刀具路径以减小加工变形的方法，即生成刀具路径时预先考虑工件加工变形及其回弹量，通过修正或补偿刀具的名义路径，从而减小或消除变形回弹误差。

三、结论

本文探讨了有限元法的基本知识，并通过DEFORM-3D和ANSYS有限元分析软件对薄壁框架的铣削力和其导致的变形进行了分析计算，总结了薄壁框架零件在受到铣削力时的变形随零件尺寸参数的变化规律，提出了铣削变形控制措施，为研究控制加工变形工艺和切削参数的优化奠定了基础。

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