大型薄壁機(jī)匣件輔助支撐方式優(yōu)化*

鄭耀輝　王江濤　王明海②　李曉鵬　王　奔

(①沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136；②北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191)

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大型薄壁機(jī)匣件輔助支撐方式優(yōu)化*

鄭耀輝①王江濤①王明海①②李曉鵬①王奔①

(①沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136；②北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191)

針對(duì)大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體機(jī)匣件加工變形大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度、維修性能和使役性的突出問題，采用ABAQUS軟件有限元仿真計(jì)算及其二次開發(fā)技術(shù)，提出一種以連續(xù)多個(gè)靜態(tài)隱式分析步仿真計(jì)算代替動(dòng)態(tài)顯式仿真的方法，實(shí)現(xiàn)了整體機(jī)匣件加工變形的有限元快速仿真預(yù)測；基于加工變形預(yù)測結(jié)果，對(duì)輔助支撐元件數(shù)量、支撐位置和支撐元件結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地減小了大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣件的加工變形，完善了該類工件的小變形加工技術(shù)。

加工變形預(yù)測；整體機(jī)匣；輔助支撐方式優(yōu)化；有限元快速仿真

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣件廣泛采用整體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚小、尺寸大，加工變形問題越來越突出[1]。針對(duì)航空薄壁整體結(jié)構(gòu)件加工變形問題，畢運(yùn)波[2]、康小明[3]等通過對(duì)工件初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工殘余應(yīng)力對(duì)加工變形影響的研究，提出了深冷處理毛坯件、高速切削等抑制加工變形的策略。陳華[4]、陳蔚芳[5]等應(yīng)用有限元分析，從裝夾方案對(duì)加工變形影響的角度分析了不同裝夾方案的變形量，優(yōu)化了裝夾方案。這些研究為控制大型工件的加工變形提供了理論方法，但針對(duì)航空薄壁件具體的整體變形規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。針對(duì)大尺寸薄壁曲面結(jié)構(gòu)件的加工變形問題，白鷹[6]提出了“應(yīng)力釋放槽”、“三次振動(dòng)去應(yīng)力”等工藝方法以及崔鑫[7]提出了自動(dòng)銑削補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行加工變形控制，這些研究方法僅限于從工藝加工角度分析個(gè)別技術(shù)的可行性，并沒有提出完整的大尺寸結(jié)構(gòu)件整體變形問題的解決方案。

研究和經(jīng)驗(yàn)表明，增加輔助支撐結(jié)構(gòu)是解決薄壁機(jī)匣件加工變形最可行和有效的方法[8-9]。在進(jìn)行輔助支撐方式設(shè)計(jì)時(shí)，由于沒有增加輔助支撐前后機(jī)匣件加工變形的數(shù)據(jù)支持，設(shè)計(jì)人員不能合理的選擇輔助支撐元件的數(shù)量、支撐位置和輔助支撐元件的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致加工變形的抑制結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)精度要求，或者因?yàn)檩o助支撐過多增加了工裝夾具的設(shè)計(jì)制造成本。

本文基于ABAQUS軟件有限元仿真計(jì)算及其二次開發(fā)技術(shù)，提出一種大型薄壁整體機(jī)匣件輔助支撐方式優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)了該類工件由切削力引起的加工變形的有效控制。

1　有限元仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

整體機(jī)匣件及其典型外圓徑向圓柱結(jié)構(gòu)形式的輔助支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了揭示徑向輔助支撐元件的數(shù)量、支撐位置和支撐元件結(jié)構(gòu)形式對(duì)加工變形的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)加工變形有限元仿真實(shí)驗(yàn)方案，如表1、表2所示。

對(duì)于機(jī)匣件徑向輔助支撐元件的結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)多采用圓柱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，國外某些航空制造企業(yè)采用扇形塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為了比較兩種輔助支撐元件結(jié)構(gòu)對(duì)加工變形的影響，在輔助支撐元件數(shù)量為6、8、10和12個(gè)(組)條件下，兩種支撐元件結(jié)構(gòu)對(duì)加工變形的影響進(jìn)行有限元仿真實(shí)驗(yàn)。輔助元件支撐位置分為下部、中部和上部三個(gè)位置，如圖2所示。

表1　支撐元件為圓柱結(jié)構(gòu)的有限元仿真實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表2　支撐元件為扇形塊結(jié)構(gòu)的有限元仿真實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2　加工變形有限元仿真實(shí)驗(yàn)

由于現(xiàn)有有限元計(jì)算仿真技術(shù)的限制，使用動(dòng)態(tài)顯式計(jì)算方式基本上不能實(shí)現(xiàn)大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體機(jī)匣件的加工變形仿真分析。為了實(shí)現(xiàn)完整結(jié)構(gòu)(非簡化結(jié)構(gòu))、全尺寸(非縮比結(jié)構(gòu))條件下的整體機(jī)匣件加工變形有限元快速仿真預(yù)測，本文基于ABAQUS的二次開發(fā)技術(shù)，提出一種以連續(xù)多個(gè)靜態(tài)隱式分析步的仿真計(jì)算代替動(dòng)態(tài)顯式仿真的方法，圖示3所示為該方法的技術(shù)路線。

使用ABAQUS有限元仿真軟件，基于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真的方法，建立加工變形預(yù)測模型，按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過論文提出的最大加工變形分析及最大加工變形所在分析步的識(shí)別方法，統(tǒng)計(jì)大端內(nèi)孔和外圓的最大徑向跳動(dòng)誤差，如表1和表2所示，未施加輔助支撐條件下的大端內(nèi)孔和外圓的最大徑向跳動(dòng)誤差如表3所示，部分加工變形位移云圖如圖4所示。

表3　未施加輔助支撐的有限元仿真結(jié)果

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到輔助支撐元件數(shù)量和支撐位置對(duì)機(jī)匣件大端內(nèi)孔徑向跳動(dòng)加工誤差影響規(guī)律的曲線，如圖5所示。從圖4、5及表1、2、3可以看出：

(1)施加徑向輔助支撐后，加工變形顯著減小。

(2)大端內(nèi)孔徑向跳動(dòng)誤差隨著支撐元件的數(shù)量增加而減小。

(3)大端內(nèi)孔徑向跳動(dòng)誤差隨著支撐位置上移而減小。

(4)圓柱結(jié)構(gòu)和扇形塊結(jié)構(gòu)的支撐元件對(duì)大端內(nèi)孔最大徑向跳動(dòng)誤差的影響差別不大，但扇形塊結(jié)構(gòu)的最小徑向跳動(dòng)誤差較小，如圖4d、4e所示。

輔助支撐方式對(duì)機(jī)匣件大端外圓徑向跳動(dòng)誤差的影響規(guī)律與內(nèi)孔徑向跳動(dòng)誤差相似。

4　輔助支撐方式優(yōu)化結(jié)果及結(jié)論

鑒于機(jī)匣件大端內(nèi)孔和外圓的徑向跳動(dòng)形位公差為0.015 mm，考慮其他工藝因素附加的加工變形，徑向輔助支撐方式優(yōu)化如下：支撐元件數(shù)量為10個(gè)(組)，支撐位置選擇在上部，支撐元件采用扇形塊結(jié)構(gòu)。輔助支撐方式優(yōu)化后，內(nèi)孔和外圓的最大徑向跳動(dòng)誤差為0.01 mm左右，滿足加工精度的要求。

通過本文提出的輔助支撐方式優(yōu)化方法，在工裝設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)測當(dāng)前輔助支撐條件下的加工變形，為輔助支撐方式設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)；在滿足加工精度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐元件數(shù)量、支撐位置和支撐元件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完善大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體機(jī)匣件的低變形加工技術(shù)。

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(編輯李佳)

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The optimizationon auxiliary support method of large thin-wall casing parts

ZHENG Yaohui①,WANG Jiangtao①,WANG Minghai①②, LI Xiaopeng①,WANG Ben①

(①Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process,Shenyang Aerospace University, Shenyang 1101361, CHN;②School of Energy and Power Engineering,Beihang University, Beijing 100191, CHN)

The machining deformation of large-scale complex casing component is large, which greatly affect the assembly precision, service property and usability. ABAQUS finite element method calculation and its second development is used, and a continuous statics implicit analysis instead of explicit analysis method is present, which accomplished the prediction of the rapid finite element simulation casing component; based on the machining deformation forecast results, the amount, position and construction of the auxiliary support were optimized, which effectively reduced the deformation of the large-scale casing component and improved its low machining deformation technology.

machining deformation prediction; overall casing; auxiliary support optimization; the rapid finite element simulation

TG501

A

鄭耀輝，男,1975年生，副教授，主要研究方向?yàn)榫芨咝?shù)控加工技術(shù)，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，獲發(fā)明專利5項(xiàng)。

2014-06-15)

160110

*中航產(chǎn)學(xué)研專項(xiàng)( cxy2014SH20)