機匣零件數(shù)控加工參數(shù)優(yōu)化淺析
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摘要：機匣零件在切削過程中的切削力變化將帶來殘余應(yīng)力的變化，進而引發(fā)零件的變形，通過工裝夾具難以對零件加工變形進行有效控制。本文基于切削載荷均衡原則，應(yīng)用先進的物理仿真技術(shù)手段，從切削力入手開展物理仿真，依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化數(shù)控程序，實現(xiàn)切削加工過程切削力的穩(wěn)定控制，通過基于均衡切削力的數(shù)控程序優(yōu)化，控制零件表面應(yīng)力應(yīng)變場的分布狀態(tài)，進而控制零件表面振紋的產(chǎn)生、降低表面應(yīng)力集中現(xiàn)象、提升零件表面加工質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：機匣；切削力；殘余應(yīng)力
1引言
航空發(fā)動機機匣零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，是典型的大型薄壁難加工零件，其加工變形問題一直是航空發(fā)動機制造的技術(shù)難點之一。目前，機匣零件加工工藝方案制定依賴工藝人員的工程經(jīng)驗，編制的數(shù)控程序僅進行幾何仿真驗證，沒有考慮殘余應(yīng)力對零件加工變形的影響。已有研究表明殘余應(yīng)力是引發(fā)零件加工變形的重要因素之一，而隨著切削過程中材料去除，原有的應(yīng)力狀態(tài)將被破壞，加工過程產(chǎn)生的切削力和切削熱將對殘余應(yīng)力分布帶來新的變化，僅通過工裝夾具難以對零件加工變形進行有效控制。零件殘余應(yīng)力的存在是引起加工變形的主要因素之一，目前殘余應(yīng)力的研究主要集中在殘余應(yīng)力的釋放和重新分布上，國內(nèi)外最常用于控制并消除殘余應(yīng)力的方法包括恒溫時效法、振動時效法、深冷處理法等，并未考慮通過控制切削過程實現(xiàn)殘余應(yīng)力的控制。在切削過程中，零件加工表面隨著材料去除，必然引入新的殘余應(yīng)力，由于航空發(fā)動機機匣零件的薄壁、弱剛性等特性，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力必然引發(fā)不可控的加工變形。因此，通過數(shù)控程序分析優(yōu)化，約束機匣零件加工過程切削力的變化，是控制機匣零件表面應(yīng)力應(yīng)變場的重要工藝方法。
2國內(nèi)外現(xiàn)狀
長期以來，國內(nèi)航空發(fā)動機型號研制工作采用了基于經(jīng)驗的、實物試制的技術(shù)驗證方式，技術(shù)驗證工作完全依賴型號研制工作進行，驗證周期長、成本高，造成型號研制能力和研制周期嚴重滯后，研發(fā)工作反反復(fù)復(fù)。為有效解決航空發(fā)動機型號研制和批產(chǎn)產(chǎn)品試制周期長、試驗成本高以及加工制造過程中的變形等問題，引入工藝仿真技術(shù)手段，對零件的數(shù)控加工過程進行仿真分析，及時解決零件制造問題。物理仿真技術(shù)已成為當今制造科學(xué)的前沿技術(shù)之一，受到企業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。不論是針對單點工藝的切削狀態(tài)仿真，還是針對連續(xù)工藝的制造過程仿真，都已經(jīng)開始研究，用于提升制造過程的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外主流的分析方法有兩種，第一種是采用有限元分析的方法：金秋等針對薄壁件的銑削加工過程，建立了考慮瞬態(tài)銑削力的工件變形有限元模型；KayeR等通過有限元分析的方法分析飛機機翼零件的加工剛性，提供剛性評價結(jié)果，為切削參數(shù)選取提供依據(jù)[1]。另一種是利用目前已有的優(yōu)化算法，通過建立裝夾-零件-切削參數(shù)之間的關(guān)系分析零件剛性。HarmanAB通過切削實驗構(gòu)建零件尺寸與剛性的關(guān)系，利用多種約束條件，分析了飛機接頭零件的剛性[2]。圍繞切削加工過程物理仿真，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、山東大學(xué)、大連理工大學(xué)及北京航空航天大學(xué)等院校也開展了大量研究工作[3，4]。西北工業(yè)大學(xué)萬敏、張衛(wèi)紅等率先考慮了銑刀底刃切削作用，首次提出了三元切削力模型，有效地提高了切削力仿真預(yù)測準確度，并且被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。國內(nèi)還開展了大量的機加工表面殘余應(yīng)力研究。覃孟揚研究了切削刃鈍圓對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明鈍圓半徑越大，殘余壓應(yīng)力越大，應(yīng)力層越厚。孫雅洲在切削加工的有限元建模上做了大量實質(zhì)性的工作。國內(nèi)外研究學(xué)者在切削力產(chǎn)生機理上已經(jīng)取得重大突破，先進物理仿真技術(shù)能夠仿真出切削過程產(chǎn)生的切削力，但是缺乏有效的切削力控制手段。
3參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制技術(shù)應(yīng)用
3.1參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制技術(shù)路線
通過先進的物理仿真技術(shù)手段，從切削力入手開展仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化數(shù)控程序，控制機加過程的切削力變化，通過基于均衡切削力的數(shù)控程序優(yōu)化，控制零件表面應(yīng)力應(yīng)變場的分布狀態(tài)，進而控制零件表面振紋的產(chǎn)生、降低表面應(yīng)力集中現(xiàn)象、提升零件表面加工質(zhì)量。具體步驟如下：1）導(dǎo)入零件的CAD模型，導(dǎo)入G代碼和APT-Code文件，模型尺寸必須保證與設(shè)計尺寸一致。2）設(shè)置機床信息，重點包含行程極限、轉(zhuǎn)速及進給極限、主軸功率等信息。3）設(shè)置刀具信息，設(shè)置菱形刀片、槽刀、成型刀等刀具類型的具體刀具參數(shù)，且刀具參數(shù)與實際使用刀具參數(shù)一致。4）根據(jù)導(dǎo)入的工件模型、設(shè)置的刀具參數(shù)及導(dǎo)入的數(shù)控程序進行切削力仿真，支持不同切削方式的切削力仿真。切削力仿真是指根據(jù)現(xiàn)有切削材料數(shù)據(jù)庫，通過模擬刀具與材料的實時有效切削面積，計算切削過程中任意時間t產(chǎn)生的X向、Y向、Z向三個方向的切削力Fcx(t)、Fcy(t)、Fcz(t)，并通過計算得到加工過程中產(chǎn)生的切向力Fct(t)、徑向力Fcr(t)、軸向力Fcz(t)及合力Fcom(t)。計算出有效切削過程切向力、徑向力、軸向力及合力的平均切削力：5）仿真數(shù)據(jù)分析，記錄切削過程中產(chǎn)生的切削力；6）根據(jù)約束條件判斷切削過程穩(wěn)定性。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計算出的平均切削力設(shè)定切削力的上限Flimmax及下限Flimmin，當整個仿真結(jié)果中超出切削力上下限的區(qū)間達到10%時，即認為切削狀態(tài)不穩(wěn)定為當切削過程不穩(wěn)定時，有兩種解決方案。方案一：根據(jù)仿真結(jié)果分別調(diào)整切削參數(shù)、走刀路徑、刀具擺角等參數(shù)，重新開展切削力仿真分析。方案二：根據(jù)切削力仿真結(jié)果，將數(shù)控程序進行適應(yīng)性打斷：第一種是固定劃分周期，即每隔固定時間t1就對程序進行一次打斷，共將程序打斷成m段（其中，T為切削過程的總時間，則）；第二種是按照切削力變化幅度進行劃分，每段程序的時間都根據(jù)切削力變化幅度計算得出。將打斷后的數(shù)控程序通過調(diào)整轉(zhuǎn)速n、進給f，使切削力控制在約束區(qū)間內(nèi)，保證數(shù)控程序切削過程的穩(wěn)定性。7）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，按照需求輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序。8）應(yīng)用優(yōu)化后的數(shù)控程序進行加工驗證。參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制技術(shù)總體思路如圖1所示。
3.2切削力仿真分析及優(yōu)化
（1）殘余應(yīng)力檢測對零件切削前的初始應(yīng)力進行檢測，每個零件上端面檢測8點、下端面檢測8點、周向檢測4點，四個零件檢測位置相同。通過測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，零件改進前表面殘余應(yīng)力的大小、位置均不一樣，應(yīng)力波動較大，零件1應(yīng)力極值相差525MPa，零件2應(yīng)力極值相差652MPa，零件3應(yīng)力極值相差746MPa，零件4應(yīng)力極值相差963MPa。（2）切削力仿真環(huán)境設(shè)置將零件模型導(dǎo)入到仿真軟件中，將編制的數(shù)控程序?qū)氲杰浖?，?dǎo)入的數(shù)控程序為G代碼，零件的模型及截面輪廓圖如圖2所示。機床及刀具信息配置，如圖3所示。在仿真軟件的G-code機床配置界面中進行相應(yīng)的參數(shù)配置。其中，Programming_Type（編程模式）中選擇Radial_Programming（半徑編程）；Motion（機床運動模式）中快速進給、直線插補、左圓弧、右圓弧分別設(shè)置成G00、G01、G02、G03；Tool_Nose_Radius_Compensation（刀具半徑補償）Left（左刀補）設(shè)置成G41，Right（右刀補）設(shè)置成G42；其余的參數(shù)可為默認值。設(shè)置刀具信息，刀具類型選擇車削刀具，刀具參數(shù)按照刀具實際尺寸進行設(shè)置：刀片厚度4.762mm，最大切深10mm，兩側(cè)刀刃半徑2.38mm，刀刃傾角2°。（3）切削力仿真對于環(huán)形機匣零件，徑向力是造成零件變形的主要因素，對原始的數(shù)控程序進行切削力分析，如圖4所示。最大切向力為495.7N，發(fā)生在轉(zhuǎn)角位置，由于該處加工余量較其余切削部位稍大，導(dǎo)致切削力較大。經(jīng)過分析可得：Flimmax=318.4N，F(xiàn)limmin=185.73N，平均切削力=265.34N。從圖4可知，切削力跳動現(xiàn)象明顯，且最大切削力是平均切削力的1.87倍，明顯不利于表面應(yīng)力應(yīng)變場的控制。（4）數(shù)控程序優(yōu)化對數(shù)控程序進行手工分段，進行逐段優(yōu)化，優(yōu)化后的數(shù)控程序重新進行切削力仿真，仿真結(jié)果對比示意圖如圖5所示。程序優(yōu)化后每段刀軌直線切削末端切削量較大的區(qū)域進給率降低到原來的1/2左右，空切削區(qū)域進給率增大到原來的10倍，總體加工時間由2385s減少到2240s，切削力降低無突變，在保證加工質(zhì)量的同時提高加工效率。輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序，程序?qū)Ρ热鐖D6所示，應(yīng)用優(yōu)化的數(shù)控程序進行加工驗證。
3.3零件加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計
將加工后的零件上下端面的表面應(yīng)力再一次進行檢測，應(yīng)用原始數(shù)控程序進行加工得到的表面應(yīng)力場，以及應(yīng)用優(yōu)化后數(shù)控程序進行加工得到的表面應(yīng)力場。應(yīng)用原始數(shù)控程序，零件4端面表面最大應(yīng)力能達到1226MPa，而最小應(yīng)力僅263MPa，應(yīng)力相差963MPa。應(yīng)用優(yōu)化后的數(shù)控程序進行加工，零件3表面應(yīng)力最大值684MPa，最小值616MPa，應(yīng)力相差68MPa，零件4表面最大應(yīng)力值700MPa，最小值649MPa，應(yīng)力相差51MPa。優(yōu)化前后的數(shù)控程序加工后檢測技術(shù)條件統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1，改進前零件終檢端面圓度最大0.29mm，采用優(yōu)化后的數(shù)控程序進行現(xiàn)場加工驗證，零件端面圓度最大值僅0.057mm，準確度提升80.34%，滿足圓度0.2mm的技術(shù)條件。改進前零件內(nèi)外型面同軸度0.465mm，采用優(yōu)化后數(shù)控程序進行現(xiàn)場加工驗證，零件同軸度為0.171mm，同軸度提升63.22%，已滿足0.2mm的技術(shù)條件。經(jīng)過加工驗證，應(yīng)用基于恒定切削力的表面應(yīng)力應(yīng)變場控制方法，零件加工后的表面殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯下降，且零件變形得到有效控制。
4結(jié)束語
以航空發(fā)動機某機匣零件加工過程控制為例，應(yīng)用面向航空發(fā)動機復(fù)雜機匣零件表面數(shù)控加工的參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制方法，有效改善零件表面應(yīng)力分布，在提升零件加工質(zhì)量的前提下提高加工效率。按照優(yōu)化程序進行加工，加工振紋明顯降低，零件表面應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯改善，多個零件加工后結(jié)果趨同，自由狀態(tài)下應(yīng)力釋放引發(fā)的變形得到有效控制。1）零件端面表面最大應(yīng)力從1226MPa，降低到700.19MPa，有效降低零件表面殘余應(yīng)力。2）零件殘余應(yīng)力差值從963MPa，降低到68MPa，有效消除零件表面殘余應(yīng)力的集中現(xiàn)象。3）零件終檢端面圓度從最大0.29mm，降低到0.057mm，準確度提升80.34%，滿足圓度0.2mm的技術(shù)條件。4）零件內(nèi)外型面同軸度從0.465mm，降低到0.171mm，同軸度提升63.22%，滿足0.2mm的技術(shù)條件要求。
作者:馬明陽 周鑫 高陽 單位:中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司