本文探討了數控加工薄壁零件變形的分析仿真相關內容。

　　機械加工系統在實際加工中并不是一個剛性系統，而是由工件、刀具、機床設備所組成彈塑性體，在力、扭矩、溫度的影響下它們都會產生不同程度的變形。在薄壁零件加工中，對工件尺寸影響最大的主要是工件本身的受力變形。使工件產生變形的力主要是切削力和裝夾力，本文重點分析討論切削力對工件加工變形的影響情況。我們知道，切削力的大小主要與零件材料、切削參數、刀具參數等因素有關。在加工材料和刀具參數已經確定的情況下，切削參數的選擇，對加工變形有直接的影響。如果只憑經驗來選擇這些參數，那么，工件的變形是否在公差范圍內事先就無法確定，而通過對切削力進行估算后，再在有限元軟件中進行力變形分析仿真，那么這些切削參數是否合適，就可預先知道。這種通過計算仿真的方法對實際工作有一定的指導意義。

　　1 薄壁零件銑加工受力分析

　　盒體薄壁零件加工通常采用銑削的加工方式，因此。我們主要分析討論銑削時工件的受力情況。銑削時刀具和工件的受力情況如圖1所示。銑刀的每一個刀齒相當于一把車刀，它的切削基本規律與車削相似。但銑削是斷續切削，每個工作刀齒都受到切削力，銑削合力應是各刀齒所受切削力相加。由于每個工作刀齒的切削位置和切削面積隨時在變化，為了便于分析，一般假定銑削力的合力作用在某個刀齒上，并將銑削合力分解為三個互相垂直的分力，如圖的Fy、Fx和Fz.其中行是在銑向上的分力，消耗功率最多，是主切削力。

　　作用在工件上的切削合力應與銑刀受到的合力大小相等，方向相反。一般按機床工作臺運動方向分解為三個互相垂直的分力，如圖中的縱向分力Fe、橫向分力Fc和垂直分力Fv。在薄壁零件加工中我們主要關心垂直分力Fv對工件產生的變形情況:如在鋁合金盒體零件加工中，采用立銑刀順銑的加工方式，加工內腔和外形，由于垂直分力FW的作用，將使被加工表面沿受力方向發生彈性變形，剛度最差的地方，工件變形最大，Fv消失后，在彈性力的作用下恢復變形，其結果盒體零件表現為內腔尺寸偏小;在鋁合金平板類零件的加工中，垂直分力Fv作用在加工表面上，由于工件反面同時受到夾具支撐力的作用，沒有產生較大的變形，但在工件表面留下了加工應力，裝夾力去除后，薄壁工件在殘余應力的作用下，使工件產生變形。

　　銑削時，Fe、Fc和Fv與主切削力抑之間有一定的比例關系，因此，求出主切削力之后，便可以計算出Fe, Fc和Fv。

　　2銑削力的計算

　　由于切削是一個非常復雜的過程，切削時作用在刀具上的力，主要由三個變形區內產生的彈性變形抗力、塑性變形抗力以及切屑、工件與刀具間的磨擦力兩個部分組成。和這些變形抗力和摩擦力大小有關系的是工件材料特性、切削速度、進給量和刀具參數、材料等因素，理論上無法直接給出切削力的精確計算公式。在實際生產應用中，常常是在一個特定的工況下，通過大量實驗，由測力儀測得切削力后，對所得數據用數學方法進行處理，從而得出計算切削力的經驗公式。其中常用的一類公式是指數公式。高速鋼銑刀主銑削力的經驗計算公式如表1所示。

　　該表的實驗條件是:前角γo =5°、主偏角Kτ=75°、刃傾角λ=5°、后角ao=6°、副偏角Kτ=15°,螺旋角β=30°.其中，ae為側吃刀量，即垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位是mm。端銑時，側吃刀量為被加工表面寬度;圓周銑削時，側吃刀量為切削層深度。ap為背吃刀量，即平行與銑刀軸線測量的銑削層尺寸，單位是mmo端銑時，背吃刀量為切削層深度;圓周銑削時，背吃刀量為被加工表面寬度，見圖2.af為每齒進給量，即銑刀每轉過一個齒時，工件與銑刀沿進給方向的相對位移，單位是mm/z。 d為刀具直徑，單位是mm。z刀具齒數。

　　3變形數值仿真

　　根據加工參數估算得到工件上受到的銑削力后，再根據零件裝夾方式，我們就可以利用COSMOS有限元分析軟件對零件進行受力變形的數值仿真，邊界條件取決于裝夾方式，載荷取決于銑削力。下面舉例介紹仿真的情況。圖3是某機載設備框架零件，材料LFS，外形尺寸320mmx280mmx37mm. A處壁厚2±0.20mm， B處壁厚2.4±0.20mm，是典型薄壁易變形零件。本文只仿真A處受力變形的情況。

　　該零件在Bridge VMC三軸銑加工中心上加工，用虎鉗在280尺寸方向裝夾，加工軌跡采用等高輪廓銑削，加工方式為順銑，刀具為直徑фlOmm高速鋼鍵槽銑刀。主軸轉速6000r/min，每齒進給量af=0.01 mm/r ,(此時進給速度Vf=120mm/min，切削速度Vc=188m/min)，背吃刀量ap=8mm，側吃刀量ae=2mm，根據上面公式計算得到:A處主銑削力Fy=28.5N,垂直分力Fv=22.8N.

　　在進行有限元分析前，一般要對零件模型進行簡化，這一步很重要，如果把沒有經過簡化的零件模型直接作有限元分析，往往要耗費很長的時間，甚至會中途產生錯誤而無法進行下去。為了竟可能接近實際情況，在這個零件中，我們只是對裝夾面上的開孔和所有的螺紋進行了簡化，簡化后模型如圖4所示。在邊界條件的設置中，使1 2兩個面的位移、扭矩為零，力載荷分別作用在③和④兩個面上。進行網格自動劃分后，提交COSMOS/FFE Static Solver進行計算，得到的分析結果如圖5所示，a)和b)最大變形量分別為0.175mm和0.328mm。

　　把載荷加在③上，是仿真左腔先加工完成的情況:把載荷加在④上，是仿真右腔先加工完成的情況。這兩個對比可以看出，由于加強筋在左側，因此，先加工左腔較為合理.分析結果得知:當選用前面的加工切削參數時，先加工左腔后加工右腔，可以使A處的變形控制在公差范圍內。

　　4說明

　　1)從主切削力的估算公式得知，當主切削力為28.5N時，除上述參數外，還可以有別的組合，如af=0.05mm/r, ap=2.54mm, ae=2mm，或at=O.lmm/r, ap=2.8mm, ae=lmm，都可以滿足要求，可根據不同的情況靈活選用。

　　2)當御一定時，提高主軸轉速可以提高進給速度，但主切削力可以保持不變;當主軸轉速一定時，降低進給速度，ar會同時降低，并使主切削力降低，這是數控加工中常用的減少變形的方法。

　　3)實際加工中，由于刀具參數并不一定能和實驗使用的刀具參數完全一致，加上刀具磨損的原因，因此，估算得到的主切削力和實際會有一些偏差。