摘 要：为了研究航空薄壁整体结构件高速铣削加工中的整体加工变形，建立了基于ABAQUS/Standard有限元核心求解器的数值仿真系统，并对相关关键技术进行了研究。基于该系统研究了薄壁整体结构件铣削加工全过程，得到了加工过程中的应力场、温度场的分布规律，以及加工完成后结构件的整体加工变形规律。通过模拟值与实验值对比，在误差允许范围内模拟结果是可以接受的。本文为薄壁整体结构件的加工变形分析提供了一种有效的方法。

关键词：有限元；薄壁整体结构件；铣削；变形

 由于具有质量小、比强度低等突出特点，航空航天制造业中广泛采用了薄壁整体结构件以提高航天器和飞机的结构强度和适用性能。这些薄壁结构件形状复杂、刚度低、加工精度要求高。薄壁整体结构件在实际加工中超过95%的坯料都被铣削加工以切屑的形式去除，当加工完成并卸除装夹后，在毛坯初始残余及机加残余应力的共同作用下，将导致结构件发生整体弯曲、扭曲或弯扭组合变形。薄壁整体结构件加工变形十分复杂且难以控制。国内外研究者在薄壁件加工变形上进行了大量的研究工作，很多研究工作侧重薄壁件加工后的表面误差预测^[1~3]，这类加工误差属于切削力引起的局部弹性加工误差。另有部分研究工作侧重加工工艺及装夹对薄壁件加工变形的影响，赵威等^[4]针对典型零件切削加工过程中的热变形、残余应力变形和切削力变形提出了相应的误差补偿方案；Siebenaler^[5]等研究了装夹方式对薄壁结构件加工变形的影响。还有部分研究者采用各自的建模方法对航空整体结构件加工变形进行了数值仿真分析^[6]。本文在已有文献的基础上，以航空铝合金7050-T7451薄壁整体结构件铣削加工为研究对象，建立了用于预测薄壁结构件整体变形的有限元仿真系统，并通过铣削加工试验验证有限元仿真过程建模的正确性。

1 仿真系统架构

    薄壁件铣削加工是一个复杂的高度非线性问题，包含复杂的热、力、机械及其耦合现象，如果单纯依靠试验手段，不但费时费力，增加生产成本，且加工过程中的温度、应力、应变等物理量也很难准确预知，而采用切削加工模拟技术则可以在计算机中再现工件和刀具相对运动的全过程，克服了试验等研究方法的缺陷，成为研究切削加工的有效方法。但采用现有的有限元软件工具研究实际切削过程，为了提高精度，需要将有限元网格高度细化，且只能研究一个非常短的时间段。这将导致计算资源急剧增加且不能研究薄壁件加工的全过程。本文采用增强的软件系统研究薄壁整体结构件数控加工的全过程，软件系统构成框图如图1所示。仿真系统从通用CAD/CAM系统（如UG）开始，产生有限元模型所需的几何数据和刀路轨迹(CL)数据。切削力计算模块采用C++编程语言嵌入仿真系统，有限元求解模块基于ABAQUS/Standard核心求解器。仿真系统中有限元模型的建立及求解采用ABAQUS脚本语言Python编程实现。