铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与探讨

孙光照

摘要：在现代制造工业中，大量采用薄壁型整体结构件作为主要受力构件，如整体框、梁、壁板等，这些航空薄壁件大多结构复杂、相对刚度较低、尺寸精度要求较高，在数控加工过程中，常因残余应力、切削力、切削热、装夹力等因素的影响产生加工变形，甚至报废。目前，国内外对薄壁件加工变形的研究很多，主要是借助有限元模拟技术对切削过程中薄壁件侧壁、腹板、整体变形进行加工仿真，预测其加工变形规律。大部分研究者认为切削力引起的弹性变形是薄壁件侧壁和腹板加工变形的主要因素，而薄壁件整体加工变形主要是受残余应力的影响。综合考虑残余应力、铣削力和铣削热等因素，研究了铣削加工顺序对框类薄壁结构件整体加工变形的影响.本文通过建立薄壁件加工全过程有限元模型，研究了在不同毛坯初始残余应力场分布情况下，残余应力和切削力耦合作用。

关键词：铝合金薄壁；加工变形；有限元仿真

引言 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。

1.试验条件及方案

1.1试验条件

模态试验系统由激振系统、激励响应采集系统和数据处理系统三个部分组成。激振系统采用力锤,激励响应采集系统包括加速度传感器与数据采集系统，加速度传感器选用型号为PCB352A21,数据采集系统采用LMS SCADAS Mobile移动式数据采集系统LMS Test.Lab。

1.2试验方案

试验采用锤击激振法，用力锤敲击铝合金薄壁件上的某一激振点。力锤上安装有力传感器，用以拾取激振力信号，加速度传感器安装在薄壁件的激振点上，用以拾取响应信号。铝合金薄壁件模态试验现场，用夹具与垫块将薄壁件悬空固定。首先，确定激振点位置并粘贴传感器。在选择激振点位置时,应该尽量避开薄壁件各阶模态振型的节点，激振点位于薄壁件中心线上,偏离薄壁件中间无支撑位置。由于薄壁件质量较轻,所以为避免过多的附加增加质量,试验只布置一个传感器,布置于薄壁件加工面背面激振点位置。其次,通过线缆连接力锤、传感器、数据采集前端、计算机，再在Impact Testing模块中标定传感器灵敏度值,设置相关参数,控制力锤敲击力度，以微小的振幅激励试验模型,通过力传感器和加速度传感器，同步采集激励力信号和加速度响应信号。试验选用的传感器灵敏度为9. 98mV/g，力传感器灵敏度为50.88mV/N。力锤打击薄壁件提供一个瞬态激励，其大小由锤头的质量和敲击工件时的运动速度所决定，该瞬态激励理论上包含了所有频率，使用不同材料的力锤锤头能提供不同频率范围的激振力，硬的锤头能激起大的频带宽度，软的锤头能激起小的频带宽度。试验为获得合理的冲击信号频带宽度，选择有效测量范围为0-4500Hz的钢锤头。在利用力锤敲击激振点时，要保证力锤信号无连击,信号无过载。为减小试验误差,在激振点位置敲击3次,将平均频响函数作为试验结果,利用Mo­dal Analysis模块对平均频响函数进行分析，获得薄壁件各阶固有频率。

2.有限元仿真分析

对大型薄壁件而言,增加辅助支撑可以显著减小加工变形,如镜像铣削时铝合金整体结构件有辅助支撑。但是由于上述模态试验中薄壁件较小,难以增加辅助支撑试验条件，因此借助有限元软件来分析和预测薄壁件在辅助支撑装夹下的固有频率及振型变化。

2.1有限元模型建立

铝合金材料属于经热处理预拉伸工艺生产的铝合金,具有加工性能佳、韧性高及加工后不易变形等优良特点，常用于制作飞机蒙皮、壁板等。利用ANSYS Workbench有限元分析软件对薄壁件进行模态仿真分析,根据模态试验过程中的实际装夹情况建立有限元仿真模型，支撑下的有限元仿真结果在铝合金薄壁件有限元模态仿真结果中包含了薄壁件的各阶固有频率和模态振型。模态分析中，各阶模态所具有的权重因子大小与该阶固有频率的倒数成正比，即频率越低,权重越大。因此，低阶模态对薄壁件的动态性能影响较大,原因是低阶频率容易与外界条件耦合,造成的影响比高阶严重。

2.2有辅助支撑装夹下的模态分析与预测

由于薄壁件厚度小,远离工装的中间位置刚度较差,通常采用增加辅助支撑的方式来提高刚度。由于试验条件限制，无法在机床上安装辅助支撑来研究其对薄壁件固有频率和振型的影响，因此沿用建立的有限元仿真模型对有辅助支撑装夹下，薄壁件的模态进行分析,并在原有仿真模型的基础上增加12个支撑点,在每个支撑点上施加0.15MPa的气压，其余参数与无支撑状态下的薄壁件有限元模态仿真分析相同。辅助支撑装夹下的铝合金薄壁件有限元仿真模型可以看出，有辅助支撑装夹下铝合金薄壁件的固有频率比无辅助支撑装夹下的固有频率增长10%。可以看出，有辅助支撑装夹下铝合金薄壁件的最大变形量比无辅助支撑装夹下的最大变形量降低10%。产生这种固有频率增长和最大变形量降低的原因是因添加辅助支撑后系统结构有所改变,增加了铝合金薄壁件的刚性。通过上述分析可知，对于试验中尺寸较小的铝合金薄壁件而言,增加辅助支撑对其固有频率和最大变形量有明显的影响。由此可以进一步推断，对于大型铝合金薄壁件,增加辅助支撑可增加其固有频率并降低最大变形量。

3.仿真结果与分析

在毛坯上取垂直于中间截面处，因为对称性，只显示截面的部分残余应力场分布情况。比较发现，淬火及预拉伸后，毛坯残余应力的分布规律相似。淬火后残余应力总体上呈“外压内拉”分布，应力沿拉伸方向的最大拉应力和最大压应力方向施加均匀的拉应力，使之产生塑性变形后，残余应力得到松弛，数值随拉伸量的增大而减小。当预拉伸时，表面依然为压应力而内层为拉应力，沿拉伸方向的最大拉应力和最大压应力可见下降，预拉伸工艺能有效抑制和消除高强度铝合金板内部残余应力，这也是预拉伸铝合金厚板被广泛应用于航空整体结构件制造的主要原因。

结语 当前，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]辉跃.框类整体结构件铣削加工顺序的有限元模型[J].浙江大学学报，2015