对基于ABAQUS的薄壁件多点柔性加工变形的研究
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作者:王腾飞
摘 要：本文简要概述了多点柔性的研究基础，介绍了有限元软件的建模过程，并且借助有限元软件，研究薄壁件在实际加工过程的变形影响。分别从支撑单元密度、单元之间距离、夹持力三个角度展开研究，总结了薄壁件的最优布局，是以占用最少资源、优化调配时间为基础展开的装夹布局。
关键词：ABAQUS;薄壁件;加工变形
大型航空器的薄壁件，具有尺寸大、韧性低、加工精度细致、工艺性能不佳等特征，极易产生加工变形问题;在装夹力、切削力的作用下，薄壁件的加工变形问题尤为突出。航空器零件的加工精细工艺，关乎着航空器后期的装配流程，因此，控制薄壁件加工变形问题，成为当前亟需解决的工艺性能问题。
1 建模
1.1 多点柔性的研究理念
柔性工艺理念拥有独立的工装系统，包含：X向导轨、工件、底座、Y向导轨、真空吸盘、气路开关、Z向支柱、真空发生器、空气压缩机等。此系统是综合利用真空发生器，采取定位夹紧薄壁件的方式，结合作业需求，开展支撑单元的方阵阵列布置，阵列布置应满足m×n配置。其中m为X向导轨上支撑单元的个数，应满足在X轴移动的运动条件;n为Y向导轨上的动梁数，应符合在Y轴的运动规律;m与n之间的关系，应理解为：每个动梁n1拥有支撑单元m个。通过简化模型可知，当m值不小于8时，满足薄壁件的工艺需求。
1.2 ABAQUS建模
有限元模型，以航空器机身舱门零件布局为参考，展开薄壁件加工变形分析。有限元模型的分析优势：有利于简化航空器薄壁件柔性夹具布局结构的分析流程，开展具有非线性的动态分析，研究航空器薄壁件的变形规律，建立以多点柔性为实体支撑的有限元分析模型，设置薄壁件加工变形的测量线，研究薄壁件在加工过程中的等效塑性变化规律。
2 基于有限元模型分析多点柔性变化规律
2.1 以单元密度作为控制变量
综合参考控制变量单元密度，包含的动态因素有：铣削工艺、吸盘吸附能力;配置支撑单元的布局结构，共设置9组多点柔性布局，分别为：①：3×3，②：3×4，③：3×5，④：3×6，⑤：3×7，⑥：4×5，⑦：4×6，⑧：4×7，⑨：4×8。当航空器的薄壁件支撑单元密度p值为0.2mm时，9组布局的柔性加工变形数值分别为：1、1.8、0.6、0.5、0.5、0.6、0.5、0.4、0.6;当p=0.4mm时，9组变形数据分别为：3、1.8、0.7、0.6、0.5、0.6、0.5、0.4、0.7;当p=0.6mm，9组加工变形数据分别为：3.6、2、0.8、0.7、0.6、0.7、0.5、0.6、0.8;其中1取值来自X向导轨，2取值为Y向导轨y1，3取值為Y向导轨y2[1]。
通过研究多点柔性的加工变形规律，由数据可知，以X向导轨为基础，p值增大时，变形数据大幅度变化，适用于支撑单元密度较小的设置方式，在布局结构第四组开始，加工变形趋势逐渐稳定。因此，支撑单元密度p值应不大于0.2，以优化配置、调整调配时间为原则，选择薄壁件加工变形较小的布局结构，以第四组3×6、第五组3×7、第七组4×6的布局配置为宜。
2.2 以单元间距作为研究对象
以第四组布局3×6为基础，展开单元间距的影响分析;布局参数：d=x1=y1=50，单位为mm，此时薄壁件加工变形影响程度最小。结合零件整体变形情况可知：零件周边变形程度较大、高达0.37mm，采取不同单元之间的距离，研究其对薄壁件加工变形的影响，并且保障吸盘有效性，确保零件单元之间不产生相互关系，以便于简化分析流程;单元之间的距离d，分别取值为：42、46、49、52、54，单位为mm，展开对比研究[2]。
统计单元之间距离产生的零件变形数据，当d=42mm时，零件变形量t=0.48mm;当d=46mm时，t=0.26mm;当d=49时，t=0.24mm;当d=52mm时，t=0.19mm;当d=54mm时，t=0.19mm。由此可知：当单元间距d大于49mm时，薄壁件的变形量值最小，有效控制在0.19mm。在单元间距增大期间，5组路径的零件加工变化呈现弱势，产生此现象的原因在于：支撑单元间距增大，有利于薄壁件获取良好的支撑，便于薄壁件边缘夹紧工艺完成，促使薄壁件边缘的加工变形受到控制，整体的变形量维持在0.07mm。
2.3 分析夹持力的影响力
以第四组薄壁件结构布局3×6，单元间距d=50mm，为基础，展开夹持力的变形影响分析;采取铣削工艺，分析夹持力的影响力。基于铣削工艺需求，吸盘吸附力的最小值F，应不大于11.1牛;选取圆形吸盘，取直径r=20mm、圈褶c=1.5;在真空环境压强Pa值为0.07MPa环境下，薄壁件的脱离力为16.3牛，侧向受力值为23牛;设置pa值：0.05、0.06、0.07、0.08，分析铣削工艺对薄壁件的变形影响。通过简化分析流程可知：铣削工艺中，应选择真空环境压强pa值不大于0.08mm，实现有效控制切削振动的不利影响，控制薄壁件加工变形程度。
3 结论
（1）支撑单元密度p值增加，有利于控制薄壁件的变形问题，其中以第四组布局结构3×6的变形程度最小，使得零件变形量不大于0.2mm，是为最佳的单元布局结构设计;
（2）以布局结构3×6为基础，支撑单元间距d值增加，有利于减弱薄壁件的加工变形态势，尤其在d=50时，零件变形量不大于在0.2mm，是为最佳支撑单元间距设置;
（3）铣削工艺对薄壁件的变形影响力不大，需设计真空环境压强值pa不大于0.08mm。
参考文献：
[1]于金，王胤棋.基于ABAQUS软件二次开发的大型曲面薄壁件加工变形预测[J].机床与液压，2018，46（11）：172-175.
[2]于金，王胤棋.ABAQUS二次开发及在曲面薄壁件加工变形模拟中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2017（09）：129-131+135.
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