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石油工業(yè)中，套管是加固井壁形成井筒所用的鋼管。壁厚很薄的薄壁套管，由于其硬度高，極易變形且外型復(fù)雜，加工精度要求較高，故需要通過(guò)數(shù)控技術(shù)與工藝裝備的有效結(jié)合，確保其加工精度要求。所加工薄壁套管硬度為150HB（材料為Incoloy825），最后壁厚6.5mm。由于其長(zhǎng)度接近600mm，且加工精度要求較高（外圓為0.06mm的尺寸公差,0.01mm的同軸度公差）、產(chǎn)品外型比較復(fù)雜（外表面鑲嵌多處通槽和通孔）。鑒于這些特點(diǎn)，難以保證其薄壁套管加工精度。因此通過(guò)裝夾以及銑削加工有限元分析，對(duì)薄壁件的加工變形作出準(zhǔn)確分析，并為銑削加工制造工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)。
銑削時(shí)，薄壁套管所受的切削力可按照縱向、橫向和垂直進(jìn)給方向分解為3個(gè)銑削分力。由于機(jī)床在機(jī)床升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向上工藝系統(tǒng)剛度最低，故垂直進(jìn)給分力Fv值容易導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常遇到銑削力的計(jì)算問(wèn)題。在生產(chǎn)實(shí)際中，銑削力可運(yùn)用理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行快速估算。在考慮刀具對(duì)其銑削力影響的基礎(chǔ)上，選用四因素四水平正交回歸分析法，其考慮因素包括銑削速度n、進(jìn)給量fz、銑削深度ap和銑刀名義半徑R。
薄壁套管銑削加工常用到的一組銑削數(shù)據(jù)如下：主軸轉(zhuǎn)速n=2100r/min；進(jìn)給量fz=300mm/min；銑削深度ap=0.5mm；銑刀名義半徑R=5mm。對(duì)應(yīng)于這組參數(shù)的銑削力大小為Fv=137.8N。選用這組銑削參數(shù)對(duì)應(yīng)下的銑削力進(jìn)行薄壁套管的有限元模擬加工，考慮到到生產(chǎn)實(shí)際中薄壁套管在其厚度方向上遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度與寬度，故在有限元模擬中，只需要輸入銑刀軸向的銑削力Fv=137.8N。
杭州那泰有限元分析公司主要針對(duì)薄壁套管局部加工變形進(jìn)行研究。由于加工機(jī)床軸線方向剛度或者工件剛度不足，由于銑削力所引起局部加工變形，導(dǎo)致其實(shí)際銑削參數(shù)與加工要求有差距，降低薄壁套管加工精度。有限元模型預(yù)測(cè)銑削力適用于在不具備實(shí)驗(yàn)條件或只需做少量實(shí)驗(yàn)且需有限元預(yù)測(cè)的銑削力進(jìn)行驗(yàn)證的情形，有限元模型預(yù)測(cè)銑削力的優(yōu)勢(shì)在于可修改參數(shù)來(lái)探討計(jì)算參數(shù)改變對(duì)其銑削力的影響規(guī)律，直到有限元模型預(yù)測(cè)銑削力與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相近。
薄壁套管銑削加工并不適合去除材料進(jìn)行有限元模擬分析，因?yàn)樵谄渚庸み^(guò)程中，銑刀直徑、銑削深度和銑削寬度都非常小，所去除的材料相對(duì)套管本體而言是非常小的，因此通過(guò)有限元分析來(lái)了解裝夾與銑削綜合作用下的變形與應(yīng)力。
有限元模型的建立。通過(guò)有限元軟件中Workbench建立其薄壁模型，其薄壁套管長(zhǎng)度為598.5mm，直徑為129.8mm，壁厚6.5mm，用Workbench進(jìn)行模擬分析，忽略其通槽以及通孔。材料模型的選取。薄壁套管選用材料為Incoloy825，其中Incoloy825合金通過(guò)合適的加熱方法加熱到900~1150℃，采用水淬冷卻方式，最后進(jìn)行一定冷加工去應(yīng)力處理。Incoloy825合金的特點(diǎn)是易于加工、導(dǎo)熱系數(shù)高、切削溫度有限和化學(xué)磨損較小，且適于進(jìn)行高速切削，常常用來(lái)加工比較大型#壁薄的復(fù)雜零件。Incoloy825的彈性模量E=195GPa，泊松比μ=0.3。有限元網(wǎng)格劃分。對(duì)于薄壁套管，可以通過(guò)掃掠的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格為六面體單元，在其分析中可以簡(jiǎn)化不考慮其去除材料的影響。
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