2A12 铝合金机油泵盖的铣削变形分析及控制策略* ＊

胡费祥 赵 波 杨 晨 李金国 吴轶杰

(①上海工程技术大学汽车工程学院，上海201620;②上汽集团幸福摩托车有限公司产品开发部，上海201900)

铣削加工是在铣床上利用铣刀对工件进行高速切削的加工方法，其具备加工效率高、刀齿散热条件好等优势，近十几年来广泛应用于航空航天、汽车制造、模具加工等行业。铣削力的大小决定了铣削过程中所消耗的功率和加工工艺系统的变形，对加工精度和加工质量有着直接的影响。

在考虑铣削加工变形时，主要是要给出较合理的铣削力和夹紧力，铣削力一般随着加工过程的进行而不断波动，较为复杂。在这方面，已有许多研究者进行了研究。于鲁萍［1］较为系统地阐述了实际工程中减小2A12铝带板类工件机械加工变形的方法，主要讨论了材料的纤维、切削方式、装夹方式等。王志刚［2］介绍了有限元在分析薄壁件铣削加工变形中的应用，并提出一种数控补偿方法来减小让刀误差，从而控制薄壁件的加工精度。许多研究者通过对铣削力进行实验研究［3－5］表明，不同的铣削参数对铣削力的影响较大。

本文以某型号发动机的2A12 铝合金机油泵盖铣削加工为例，来进行夹紧力和铣削力作用下的变形有限元模拟，通过对变形结果的分析，然后对夹具进行改进，改进后再次进行有限元模拟和实验验证，结果表明模拟结果可靠，改进效果良好。

1 问题描述及主要影响因素

图1 为某型号发动机2A12 铝合金机油泵盖三维模型及加工面示意图。在对图1 所示加工面进行铣削加工时，由于夹具的夹紧力和铣刀的铣削力的作用，会使工件产生变形，从而导致铣削工件的精度下降。同时，铣削的面是用于和机油泵泵体进行装配的，如果精度不高，那么装配后就会存在缝隙，从而导致漏油以及内外压力的传递，这将大大降低机油泵的性能和工作效率。

因此，为了保证加工精度，对铣削加工时的加工变形规律的研究显得十分必要。而实际铣削过程中，影响变形的因素有很多，如机床、刀具、夹具及切削参数等，但大部分都可以归结到铣削力和夹紧力上，故本文主要考察铣削力和夹紧力。

(1)铣削力

采用常用的回归分析方法，建立铣削2A12 铝合金铣削力经验公式［6－8］。根据金属切削原理研究结论，在加工材料和刀具几何参数确定的前提条件下，切削力与切削参数之间存在复杂的指数关系。设铣削力经验公式的通用形式为:

式中:C、b1、b2、b3、b4为常系数;F 为切削力;n 为主轴转速;ap为轴向切深;ae为铣削宽度;fz为每齿进给量。

由于表达式中待定系数很多，一般通过测力仪器测量铣削过程的一些铣削力，然后通过回归的方法来拟合出铣削力的经验公式。

本研究通过设计正交试验，铣削2A12 铝合金平板并测量铣削力，再利用MATLAB 软件进行辅助计算，最终得到的2A12 铝合金铣削力的经验公式为:

(2)夹紧力

夹紧力是固定加工工件的作用力，这个力对加工精度也有影响。如果夹紧力过小，则不能很好的固定住工件，会导致工件在加工时产生滑动而导致加工错位和产生加工变形;如果夹紧力过大，则会使夹紧部位产生塑性变形而使整个工件产生残余应力和纵向翘曲，从而产生纵向位移并导致纵向加工精度下降。因此，选择合理的夹紧力对保证工件的加工精度至关重要。

就加工2A12 铝合金机油泵盖而言，实际加工过程采用的是液压夹具，其夹紧力是可调节的。因此，在数值模拟时，也可以改变施加的夹紧力的大小，研究夹紧力和夹紧变形之间的关系。

2 模型的建立和数值模拟

先利用UG 软件建立机油泵盖的实体模型(见图1)。从图1 中可以看到机油泵盖零件结构比较复杂，对于这种复杂多面部件的有限元建模一直是难点。文中首先采用Hypermesh 软件作为网格划分工具，在保证质量的前提下，能够快速完成整个机油泵盖的网格划分工作。然后，通过ABAQUS 软件进行求解。注:夹板和支撑结构简单，可直接用ABAQUS 绘制并划分网格。

采用Hypermesh 软件快速划分复杂零件网格时的基本思想是先生成面网格，然后由面网格生成体网格。首先清理三维模型，删除一些影响网格质量但又对分析计算影响不大的小孔小面等。一些无法删除的孔、面可先采用小尺寸划分网格，随后其他用较大尺寸划分，最后修复连接处的网格。完成面网格之后需进行网格清理。清理2D 网格可采用Hypermesh 自带的Auto Clean up 功能自动清理加手动调整，清理完成后检查网格封闭性，最后由面网格生成体网格。当个别面网格不能生成体网格时，需重新调整，直至能生成体网格为止。图2 为气缸盖的四面体单元有限元模型，模型总单元数为738 966，将其导出为ABAQUS 类型的文件并保存。

将保存的inp 文件导入到ABAQUS 软件中，对图2 所示的模型进行基于ABAQUS 的接触有限元分析，机油泵盖体的材料属性为2A12 铝合金的材料属性，即:弹性模量E =71 GPa，泊松比μ =0.33。夹具为普通钢材的材料属性，即弹性模量E =210 GPa，泊松比μ=0.3。在ABAQUS 里面将夹具装配并划分网格，定义约束和接触后如图3 所示。

关于模型的加载，主要有夹紧力的加载和铣削力的加载。夹紧力的施加按给定的夹紧力每处夹板与工件接触面积的大小，求出每处的面压力，再以面压力的形式施加在工件上。而在铣削加工过程中由于同时伴随进给运动和旋转运动，铣削过程是极其复杂的，在现阶段，计算机还无法真实再现实际加工中刀具的旋转、进给复合运动。切削加工过程中，铣刀与被切削材料之间的相互作用，可以通过动态切削力载荷的形式表示。当刀具进给到某一位置时，铣刀的刀齿开始由下向上切削，其过程可以离散为线载荷对工件的作用。由于在有限元模型中，对于阶次较低的单元，可以按静力等效原则，这样我们就可以简化为将载荷分配在各个节点上。在实际模拟时，通过节点加力(包括切削力、进给力、轴向力)来完成切削力施加［9］。

3 结果分析

图4 为仅施加夹紧力(150 N)时的变形云图。

表1 为未施加铣削力时的不同区域最大位移值与夹紧力之间的对应关系。从表中数据可以看出，在夹紧力作用下，变形量都是微米量级的，与实际要求的0.02 mm 的加工精度不在一个数量级内，故在模拟铣削力作用下的加工变形时，只取一组夹紧力来模拟，后面计算中，夹紧力取250 N。需要注意的是，如果在实际操作过程中，每处的夹板(支撑面)不在同一平面上，从而产生扭矩，那将对变形有很大影响。

表1 未施加铣削力时的不同区域最大变形与夹紧力之间的对应关系 μm

因此，下面考虑在铣削力的作用下工件产生的变形。为了进行不同铣削位置时变形的对比，对图3 中圆圈所示的6 个位置处分别进行加载。为了更好地和实际加工情况进行对比分析，铣削力的大小按实际加工时的加工参数(主轴转速为6 000 r/min，轴向切深ap为2 mm，径向切深ae为8 mm，每齿进给量fz为0.15 mm/齿)代入到铣削力公式模型中进行计算。表为进行铣削力加载后各个位置(或附近区域)的最大变形量。

表2 加载铣削力后模拟的最大变形量 mm

从这表2 得出结论如下:工件尺寸相对较大，主要支撑相隔太远，导致受力不均，容易产生变形;从变形量来看，变形程度较大的主要是远离支撑的边缘区域，且远远超过加工要求的精度。

4 改进措施和实验验证

为了解决铣削变形超过加工精度要求这个问题，考虑采用的辅助支撑。通过对上面的变形区域和工件本身结构进行分析，施加辅助支撑后如图5 所示。

在相同位置，相同的切削条件下在上述6 个位置进行加载。加载后每个位置(或附近区域)的最大变形量如表3 所示。

表3 改进后模拟的最大变形量 mm

通过观察改进前后的变形数据及变形云图可以得出以下结论:使用了辅助支撑后，各位置(或附近区域)的整体变形量有所减小，基本能满足精度要求，特别在变形程度比较大区域效果更加明显;在使用了辅助支撑后，加载对变形的影响只作用在加载区域的局部范围，对其他区域的影响较小。图6 为改进前后5 位置的变形云图的对比。

实验验证:在加工中心进行施加辅助支撑后的铣削加工，加工参数同样为主轴转速为6 000 r/min，轴向切深ap为2 mm，径向切深ae为8 mm，每齿进给量fz为0.15 mm/齿。用三坐标测量仪对工件进行变形测量，如图7 所示，测得的各个位置(或附近区域)最大变形量见表4(由于模拟得到的是空间变形量，为了便于对比，表4 中是3 个坐标的变形量转化后得到的)。

表4 改进后加工的最大变形量 mm

通过观察表4 的数据，可以看到实际加工后，变形很好地被控制在要求的精度范围内，表明改进措施有效。

对比分析表3、表4，可以得到如下结论:每个位置实测的变形量基本要大于模拟得出的最大变形量，这主要是由于铣削系统振动、刀具磨损及工件材料物理性能不均匀性等因素造成;模拟得出的变形量趋势和位置和实测的大致上吻合，可以认为模拟可靠。

5 结语

通过以某型号发动机的2A12 铝合金机油泵盖铣削加工为例，来进行夹紧力和铣削力作用下的变形有限元模拟，并结合试验，可以得出以下结论:

(1)在夹紧力作用下的变形量都是微米量级的，与实际要求的加工精度不在一个数量级内，夹紧力对精度影响可以忽略不计，影响加工变形的主要因素是铣削力的大小。

(2)使用了辅助支撑后，各位置(或附近区域)的整体变形量有所减小，基本能满足精度要求，特别在变形程度比较大区域效果更加明显。

(3)每个位置实测的变形量基本要大于模拟得出的最大变形量，这主要是由于铣削系统振动、刀具磨损及工件材料物理性能不均匀性等因素造成。

(4)模拟得出的变形量趋势和位置和实测的大致上吻合，可以认为铣削力经验模型及铣削变形有限元模拟可靠。

［1］于鲁萍，姜伟，马海波.减少2A12 铝带板类零件机械加工变形方法研究［J］.航天制造技术，2010(3):32 －33.

［2］王志刚，何宁，武凯，等.薄壁零件加工变形分析及控制方案［J］.中国机械工程，2002，13(2):114 －117.

［3］汪通悦.基于并联机床的2A12 铝合金铣削力的实验研究［J］.机床与液压，2007，35(3):15 －17.

［4］宋健，李乐洲，明新国.铝合金2A12T351 铣削性能分析［J］. 机械制造，2008，46(529):51 －53.

［5］刘玉平.2A12 铝合金中高速铣削的工艺研究［J］. 航天制造技术，2007(5):1 －3.

［6］王立涛，柯映林，黄志刚.航空铝合金7050 －T7451 铣削力模型的实验研究［J］.中国机械工程，2004，15(19):1684 －1687.

［7］Lee P，Altintas Y. Prediction of ball end milling force from orthogonal cutting data［J］.Int.J，Mach. Tools. Manuf，1996，36:1059 －1072.

［8］惠记庄.采用回归分析法建立切削力经验公式［J］.西安公路交通大学学报，1996(12):102 －105.

［9］黄志刚，柯映林.飞机整体框类结构件铣削加工的模拟研究［J］. 中国机械工程，2004，15(11):991 －995.