基于数值模拟的航天镁合金薄壁零件加工工艺研究

关洋 郭丙结

摘 要：航天镁合金因其比强度高、减振性能好、质量轻等优点广泛应用在各个航天领域，由于材料结构刚性差，加工中受载截面变形大，造成镁合金薄壁零件壁厚不均匀和尺寸超差。本文通过Ansys建立三维有限元模型并对其进行受力分析，提出合理的铣削参数来优化加工工艺。

关键词：镁合金；有限元分析；加工工艺

1 引言

镁合金薄壁零件是航空工业产品中常见的一类零件，其零件特点是外形配合要求比较高、零件长度尺寸相比于截面尺寸大、刚性较差、精度要求高。零件在切削加工中由于切削力的作用產生“让刀现象”，导致零件加工质量不合格。针对镁合金薄壁零件加工易变性特点，利用有限元方法对零件模型进行数值模拟变形分析，提出合理的铣削参数，最终优化机械加工工艺。

2 镁合金薄壁零件的加工误差

机床精度不高、刀具磨损变形、加工过程零件热变形、加工环境温度因素等都可以造成零件的加工误差。由于镁合金薄壁零件截面尺寸很小使其刚度不足，在加工中受到径向切削力导致的变形是影响形位公差的主要原因1。理论上，使用双刃立铣刀铣削平面时，应该切除ABCD阴影部分，如图1所示。但是由于切削力的作用，使得材料发生复杂的弹塑性变形，零件上表面对铣削面有力的作用，变形量可以忽略，零件下表面为开口，没有对铣削面产生力的作用，导致B，C两点分别移到B2，C2两点，则双刃立铣刀仅切除A B2CD阴影部分，走刀过后零件弹性恢复，残留的C C2D部分材料未被切除，造成零件成“鼓”形。

3有限元分析

以双刃立铣刀铣削镁合金薄壁零件为例，由于刀具每秒转数远大于刀具进给速度，可以假设在某一进给位置，刀具轴线保持不变，而刀齿沿着加工表面由左向右移动，直到把加工余量切除，在切削过程的某个瞬间，对薄壁零件截面施加的力可以认为是沿螺旋线方向动态变化的切削力2。在实际加工中由于上下铣削厚度不同，在铣削中一次进给加工整个表面情况下，镁合金薄壁零件上表面为固定端面变形小，所受载荷大，零件下表面因为没有约束，发生弹塑变形导致切削量减少，从而引起切削力下降。所以，动态铣削力可近似梯形分布。镁合金密度为1.73g/cm3，泊松比0.35，弹性模量4480MPa，比强度高于钢，比刚度接近钢，铣削加工中，刀具转数为250r/min，走刀量0.1mm/r，进刀量0.1mm/次，零件厚度为2mm，梯形分布力的合力为750N，如图2所示，零件下端面变形量最大，而上端面变形量几乎为零，这是因为施加装夹约束和薄板的支撑才出现此类状况。

4工艺优化方案

4.1零件特点及工艺难点

零件材料为航空镁合金，零件整体壁厚不超过2.5mm，零件最薄出仅为2mm，零件槽口内部有两处装配凸台，并且有多条加强筋。难点一，零件机械加工前毛坯料为铸件，大端面为全封闭式，这样就必须对大端面进行铣削加工，由于内应力释放造成大端面垂直度及平行度状态较差。难点二，零件外形轮廓和局部内腔需要加工，就需要确定加工基准面，基准 面的如何选取及其形位公差高低直接影响零件的加工质量。

4.2加工工艺研究

4.2.1装夹方式及工艺方法

由于零件整体结构类似是薄壁U形件，U形口朝下装夹零件时，零件受力发生复杂弹塑变形，下部分出现“让刀现象”，导致零件少切。故考虑增加工艺块，如图3所示，避免零件上部分受到装夹约束而增大变形。零件下部分受到工艺块的装夹约束，零件下部分的变形量减少。增加工艺块还有利于零件的装夹方便，并能确保多次装夹时，零件的相对位置不发生大的偏移。

工艺块加工质量直接影响零件的加工质量。首先，找平型腔两侧非加工两处凸台使其等高，划出3*4凸台中心线；其次，以凸台中心线为基准划线，保证两侧工艺块厚度方向两个尺寸，利用铣床光出即可，保证平面度不大于0.05；最后，铣工艺块宽度方向外形，保证宽度方向与中心对称。

零件大端面要进行开端口，由于铣削过后零件内应力释放，导致零件发生变形。首先，铣封闭槽口A，槽口宽度分成粗铣和半精铣两道工序，在半精铣后单边留余量0.1；其次，把封闭槽口铣成开档，保证单边余量0.1，松开装夹在工艺块上的压板，静放24h后重新装夹还原；最后，精铣槽口宽度。

4.2.2切削用量

普通速度铣削加工时，粗加工主要是以提高材料切削率为主，一般轴向铣削深度ap，纵向铣削深度ac和每齿进给量fz比较大；而精加工以达到加工精度与表面质量为主，切削速度vc更高。由于要考虑刀具本身刚性、刀具加工时震颤及切削力对零件变形的影响，选择vc=1100m/min加工零件，以便减少加工变形、提高加工质量3。

5结束语

运用Ansys有限元数值分析方法，对航空镁合金薄壁零件切削变形进行模拟仿真，分析了零件变形的主要趋势和变形原因。通过对工艺优化，选择合理的零件加工工艺路线和装夹方式，选用合适切削速度，可以将大部分让刀残余材料切除，从而达到高效、优质加工航天镁合金薄壁零件的目的。

参考文献：

[1]王志刚等.航空薄壁零件加工变形的有限元分析[J].航空精密制造技术，2000，36（6）：7-11.

[2]许金山等.航空薄壁零件数值模拟优化分析[J].创新与实践，2015，22（3）：16-19.

[3]李沪曾等.薄壁整体结构件的高速铣削[J].同济大学学报，2007，35（4）：522-525.