薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形的方法范文

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摘要：文章通過闡述薄壁結構件，分析薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形，對薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形的有效控制提出“有限元仿真變形預測與控制”、“高精度加工裝夾具優(yōu)化”、“材料與工藝優(yōu)化”等方法，旨在為研究如何促進薄壁框狀結構件數(shù)控加工的順利開展提供一些思路。

關鍵詞：薄壁框狀結構件；數(shù)控加工；變形；控制

0引言

在航空領域零件的數(shù)控加工中，變形控制是一項十分棘手的問題。因為薄壁零件相對剛度有限、加工去除量大以及加工工藝性不足，在數(shù)控加工中切削、刀具、裝夾等一系列因素影響下，使得切削力引發(fā)突變造成刀具顫振，進一步發(fā)展成薄壁結構變形，使加工難度不斷升高[1]。通過對薄壁結構件加工工藝開展優(yōu)化革新，可促進對變形量的有效控制。由此可見，對薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形的有效控制方法開展研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1薄壁結構件概述

薄壁結構件指的是由薄型板件、加強構件組成的結構。其中薄型板件包括有隔板、腹板、蒙皮等，加強構件包括有緣條、桁條等。薄型板件與加強構件的連接存在焊接、鉚接、混合等方式，并且以鉚接方式為主。上世紀30年代，薄壁結構代替桿系結構，轉變成航空結構的主要形式，在機身、機翼等機體中得到廣泛推廣。高速飛行器對蒙皮抵抗彎曲能力提出了越來越嚴苛的要求，因而在薄壁結構的基礎上還出現(xiàn)了夾層結構、復合材料結構、整體結構等型式。

2薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形分析

薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形分析。虛線框中為需要明確的加工前提，同樣是控制變形情況可調節(jié)的參數(shù)。對影響變形的相關因素展開分析，具體而言：其一，計算應用各式各樣切削量、切削速度及進給量等條件下的殘余應力及變形情況，進而獲取變形所受不同切削參數(shù)的影響，并從中篩選出優(yōu)化切削參數(shù)，在滿足加工精度的基礎上盡可能提高加工效率。其二，裝夾方案優(yōu)化。壓板數(shù)目、位置和夾緊力大小等，不論是哪項因素發(fā)生轉變均會使得有限元分析模型約束出現(xiàn)轉變，進一步致使零件變形的轉變。結合計算結構制定相關優(yōu)化對策，諸如調整壓板數(shù)目、位置、加緊力大小等。其三，結合數(shù)控加工前材料熱處理及彎曲工藝，評估零件內初始殘余應力分布狀況，模擬切削加工去除材料對殘余應力分布的影響情況。因為獲取零件內殘余應力模型存在一定的難度，所以運用有限元熱分析模塊簡化模擬零件熱處理引起的溫度差，并借助ANSYS熱機械耦合功能獲取溫度差造成殘余應力分布。這一模擬過程未有考慮熱沖擊、人工時效、相變應力等因素，所以僅屬于定性模擬。本次構建有限元模型屬于靜力學分析，依托載荷步動態(tài)加載切削力，對加工各個環(huán)節(jié)進行模擬；材料去除選取單元生死技術模擬，防止從微觀層面評定單元分離標準，分析輸出為對零件變形、殘余應力的預測。

3薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形的有效控制方法

3.1有限元仿真變形預測與控制

近年來，伴隨計算機技術及數(shù)值計算方法的迅猛發(fā)展，使得有限元仿真技術在切削加工工藝理論研究中得到廣泛推廣。和試驗研究與理論分析相比較，有限元仿真技術可極大水平降低時間、成本投入，并可獲取經(jīng)由試驗所無法得出的物理力學參數(shù)，諸如溫度、應力、應變等，所以應用有限元仿真技術對薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形問題開展研究控制，已然轉變成現(xiàn)階段研究的一大熱點方向[2]。首先，對于因毛坯初始殘余應力影響加工變形的預測與控制。一般情況下，加工零件變形包括有塑性變形、彈性變形、殘余應力變形等。其中尤以殘余應力為造成加工后零件變形的主要原因。殘余應力指的是在無外力作用下，為了保持平衡狀態(tài)而存在于物體內部的應力。作為內應力的一種，殘余應力的形成與不均勻塑性變形密切關聯(lián)，已引發(fā)塑性變形部分與未引發(fā)塑性變形部分相互影響，進而產生彈性應力場。在數(shù)控加工中，因為零件材料去除，使得原本殘余應力平衡被打破，進而引發(fā)零件變形。針對殘余應力影響及變形預測，近年來研究人員展開了大量研究。例如，有研究人員在對整體結構件加工變形問題的研究中，經(jīng)由有限元模擬研究得出，隔框零件加工變形受毛坯初始殘余應力很大程度影響。還有研究人員對毛坯初始殘余應力、裝夾條件及銑削力等因素展開全面分析，構建起多因素耦合影響的銑削加工變形有限元分析模型，并將其應用于框狀零件數(shù)控加工變形預測中，收獲了良好的應用成效。其次，對于加工過程中變形的預測與控制。相關研究人員針對鈦合金、鋁合金材料開展高速銑加工，在大變形理論及虛功原理的基礎上，構建起切削加工環(huán)節(jié)的三維熱-彈塑性有限元模型，并借助該模型對鋁合金材料高速切削加工環(huán)節(jié)開展有限元模擬，分析了高速切削加工環(huán)節(jié)切削形成過程、三維銑削力的轉變情況，及應力、溫度及加工表面殘余應力的發(fā)展規(guī)律。應用對應構建的有限元模型，可實現(xiàn)對加工參數(shù)的有效優(yōu)化，進而提高加工質量、效率。即便應用有限元仿真技術可實現(xiàn)對薄壁結構件加工變形的有效預測，然而因為模擬中材料模型與實際結構件材料物理屬性存在相互不吻合的問題，并且在構建模型過程中難以系統(tǒng)考慮各式各樣環(huán)境因素的影響，由此使得有限元模擬預測結構相較于實際變形情況依舊存在一定差距。

3.2高精度加工裝夾具優(yōu)化

夾緊力是影響全面薄壁框狀結構件變形的一項重要因素，結構件在機床上的裝夾精度會很大程度上影響到機床加工精度。結構件的加工尺寸、形狀誤差與裝夾具的穩(wěn)定性和剛度有著十分緊密的聯(lián)系，特別是對于弱剛度結構件而言，夾緊力更容易引起變形。依托調節(jié)夾具元件所處部位或者加入相應的夾具元件，可有效緩解變形的引發(fā)。伴隨對薄壁框狀結構件加工精度要求的越來越嚴苛，制定科學可行的裝夾方案越來越為研究人員所重視。例如，有研究人員薄壁結構件裝夾變形展開了全面研究，針對變形的計算引入有限元仿真方法，研究制定了針對薄壁結構件裝夾方案的優(yōu)化原則，及對于裝夾變形的控制方法：其一，選取子問題優(yōu)化方法，即為對裝夾方案中裝夾部位予以優(yōu)化，進而獲取各裝夾部位的最佳匹配。進一步縮減裝夾變形。其二，選取滿足變夾緊力對應曲線的力來實現(xiàn)對結構件的夾持，并計算獲取常規(guī)零件在常規(guī)裝夾方案下的變夾緊力對應曲線。還有研究人員全面提出了優(yōu)化選擇夾緊力作用點、大小及加緊步驟的相關方法，結合因為摩擦力引發(fā)的接觸力依賴性的特征，系統(tǒng)分析了各夾緊元件及其作用順序對薄壁結構件變形的影響，并構建了裝夾方案的數(shù)學模型，還提出了以最小余能原理為前提的有限元求解方法[3]。除此之外，運用某鋁合金航空材料薄壁結構件，模擬結構得出，結構件變形受夾緊力作用點、大小及夾緊步驟很大程度影響。另外，新型裝夾方式可有效確保薄壁結構件的裝夾，例如，電控永磁吸盤是將強力稀土磁鋼朝X軸、Y軸依據(jù)N級、S級相互交替通過方格形式布置，進而可形成強大的磁力，確保實現(xiàn)精準、穩(wěn)定及不易變形等功能，大多應用于高速加工中。電控永磁吸盤應用。推進裝夾方案的有效優(yōu)化，對薄壁框狀結構件加工來說至關重要，要求不斷深入開展對薄壁結構件跟蹤刀具軌跡智能裝夾系統(tǒng)及應力均布裝夾系統(tǒng)的研究，且不論是在理論層面還是實踐層面均有待不斷加強。

3.3材料與工藝優(yōu)化

有研究人員經(jīng)由對大型薄壁結構件加工過程開展變形、殘余應力分布研究，得出下述結論：其一，在將數(shù)控加工劃分成精加工、粗加工兩個過程中，如果將精加工毛坯定位于粗加工毛坯中心位置，則有助于縮減加工變形，并且結構件變形與粗加工毛坯厚度呈負相關關系。其二，經(jīng)由粗加工去除上下表面對應獲取的精加工毛坯，其內部殘余應力相較于未經(jīng)過粗加工的毛坯分布要均勻，應力值也更小，且殘余應力值與粗加工毛坯厚度呈負相關關系。其三，在結構件加工時，伴隨零件底板剩余厚度的不斷縮減，可將變形劃分成變形增大與變形減小兩個過程，于此期間會產生一個使結構件變形最大的臨界點，針對該臨界點通過運用有效處理手段體有效縮減結構件的變形。還有研究人員在ANSYS有限元分析結果的基礎上，提出在精加工數(shù)控編程過程中，將刀具在原本走刀軌跡上結合變形水平附加一個偏置，即為對由于變形而形成的讓刀量予以補償，如此一來，可極大水平縮減讓刀誤差。薄壁結構件數(shù)控刀具路徑優(yōu)化。還有研究人員在給定毛坯初始殘余應力及裝夾前提下，借助有限元仿真技術，對各式各樣銑削加工走刀路徑對薄壁框狀結構件加工變形精度的影響展開了模擬，研究結果顯示，運用雙面環(huán)切工藝可促進銑削表層殘余應力始終保持平衡狀態(tài)，進而可有效縮減加工期間薄壁結構件的扭曲變形，切實提高型面的加工精度[5]。除此之外，相較于運用單面銑削工藝，通過運用雙面銑削工藝，可實現(xiàn)薄壁葉片葉尖區(qū)域沿厚度方向最大數(shù)控加工誤差的有效降低。值得一提的是，針對航空航天結構件制造中較常應用的鈦合金、鋁合金等材料，由于材料存在較大的內應力及變形傾向，因而，在進行完粗加工后，可結合實際情況適當添加自然時效或者人工時效工序，等到應力充分釋放后再開展精加工。

4結束語

總而言之，薄壁框狀結構件在數(shù)控加工中往往會發(fā)生變形情況，依托對變形相關影響因素的分析，以研究控制變形的方法，總結出薄壁結構件加工方法選擇，實現(xiàn)對薄壁結構變形量的有效控制，對于面向航空航天領域的薄壁結構件工藝選擇分析有著十分重要的指導價值。因而，相關人員必須要加大研究分析力度，提高對薄壁結構件內涵特征的有效認識，加強對薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形情況的深入分析，“有限元仿真變形預測與控制”、“高精度加工裝夾具優(yōu)化”、“材料與工藝優(yōu)化”等，切實實現(xiàn)對薄壁框狀結構件數(shù)控加工變形的有效控制。

參考文獻：

[1]郭磊．航空薄壁結構件數(shù)控加工變形控制研究[J]．現(xiàn)代制造技術與裝備，2018，11（03）：162－163．

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[3]繆偉民．整體薄壁結構件數(shù)控加工變形控制技術進展[J]．機械制造，2018，56（03）：1－3，27．

[4]鄭耀輝，呂海洋，李曉鵬，王明海，王奔．大型復雜結構件加工變形有限元快速仿真方法[J]．組合機床與自動化加工技術，2017，13（06）：5－8．

[5]廖凱，張蕭笛，劉義鵬，陳輝．鋁合金薄壁框架件加工變形的應力分布研究[J]．材料科學與工藝，2016，24（06）：45－50．

作者:何為 單位:四川信息職業(yè)技術學院