整體薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制技術(shù)進(jìn)展

□繆偉民

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所 北京 100074

隨著現(xiàn)代航空器高速、高機(jī)動(dòng)性能要求的不斷提高，航空器越來(lái)越多地采用整體薄壁結(jié)構(gòu)件，這是現(xiàn)代飛機(jī)、航天器領(lǐng)域的一個(gè)革新。整體薄壁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量輕，在剛度、抗疲勞強(qiáng)度，以及各種失穩(wěn)臨界值等方面均比鉚接結(jié)構(gòu)勝出一籌。然而，在整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工過(guò)程中，常因毛坯初始應(yīng)力、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性、加工工藝不完善、裝夾不合理、加工過(guò)程切削力和切削熱等因素的影響，導(dǎo)致整體薄壁結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲、扭曲及彎扭組合等加工變形，薄壁結(jié)構(gòu)還會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整體薄壁結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率和最終產(chǎn)品精度?？梢?jiàn)，對(duì)整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工制造技術(shù)需要有更高的要求。

筆者以整體薄壁結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，從有限元仿真變形預(yù)測(cè)與控制、高精度加工裝夾具優(yōu)化、材料與工藝優(yōu)化等方面進(jìn)行闡述，總結(jié)了相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展和相應(yīng)的解決措施，為實(shí)現(xiàn)整體薄壁結(jié)構(gòu)件高效高精度加工提出可行的技術(shù)方法，供實(shí)際生產(chǎn)參考、借鑒。

1 有限元仿真變形預(yù)測(cè)與控制

整體薄壁結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，在加工過(guò)程中常因復(fù)雜的動(dòng)態(tài)熱耦合作用而導(dǎo)致加工變形，因此加工變形預(yù)測(cè)與控制是整體薄壁結(jié)構(gòu)件制造工藝研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算理論與方法的飛速發(fā)展，有限元仿真技術(shù)開(kāi)始在切削加工工藝?yán)碚撗芯恐械玫綇V泛應(yīng)用。相對(duì)于試驗(yàn)研究和理論分析，有限元仿真技術(shù)能夠節(jié)省大量時(shí)間和成本，并能夠獲得通過(guò)試驗(yàn)難以得到的物理力學(xué)參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等，因而采用有限元仿真技術(shù)研究和解決整體薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形問(wèn)題成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)和重要方向。

1.1 受毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力影響的加工變形預(yù)測(cè)與控制

通常機(jī)加工零件變形包括彈性變形、塑性變形、熱變形和殘余應(yīng)力變形，其中殘余應(yīng)力為引起加工后零件變形的主要原因。殘余應(yīng)力指在無(wú)外力作用時(shí)，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力的一種，產(chǎn)生的原因?yàn)椴痪鶆虻乃苄宰冃危寻l(fā)生塑性變形部分與未發(fā)生塑性變形部分互相牽制而形成彈性應(yīng)力場(chǎng)。在切削加工中，由于零件材料的去除打破了原有殘余應(yīng)力的平衡，從而引起零件變形[1-2]。

人們對(duì)殘余應(yīng)力的影響及變形預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量研究。余偉[3]應(yīng)用有限元軟件集成了數(shù)控加工過(guò)程有限元仿真模塊，分析了毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)零件整體加工變形的影響。孫杰等[4]在對(duì)整體結(jié)構(gòu)件加工變形問(wèn)題的研究中，通過(guò)有限元模擬研究，發(fā)現(xiàn)毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)隔框零件整體加工變形起主要影響作用。王樹(shù)宏[5]綜合考慮毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、裝夾條件和銑削力等因素的影響，建立了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(yīng)用于實(shí)際框類(lèi)零件銑削加工變形的預(yù)測(cè)分析。

1.2 加工過(guò)程中變形預(yù)測(cè)與控制

文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)鋁合金材料7050-T7451和鈦合金材料的高速銑削加工，基于大變形理論和虛功原理，建立了切削加工過(guò)程的三維熱-彈塑性有限元模型，利用這一模型對(duì)鋁合金材料的高速切削加工過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，分析了高速切削加工過(guò)程中切屑的形成過(guò)程及其形貌、三維銑削力的變化情況，以及應(yīng)力、應(yīng)變、切削溫度及已加工表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。采用所建立的有限元模型，可進(jìn)一步對(duì)加工參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行研究，以提高加工質(zhì)量和加工效率。

尚鈺淇[8]對(duì)管類(lèi)薄壁零件加工裝備的銑頭部分進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)銑頭做了模態(tài)分析，確認(rèn)在實(shí)際加工中對(duì)變形量影響較大的因素，并同時(shí)從工裝夾具、工裝方式和機(jī)械加工裝備等角度對(duì)大型薄壁件的加工變形進(jìn)行了分析，分析結(jié)果對(duì)實(shí)踐有重要指導(dǎo)意義。此外，利用數(shù)值仿真模型對(duì)火箭大噴管直槽立式加工所產(chǎn)生的變形進(jìn)行了分析，得出此類(lèi)加工變形的主要特點(diǎn)，分析了邊界約束條件、胎膜接觸面大小等因素對(duì)加工變形的影響規(guī)律，對(duì)于管類(lèi)薄壁零件的快速加工具有理論參考價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。

胡創(chuàng)國(guó)[9]提出了整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工彈性變形誤差的預(yù)測(cè)與補(bǔ)償方法，介紹了加工表面靜態(tài)誤差的預(yù)測(cè)與補(bǔ)償總體方案，應(yīng)用有限元模擬技術(shù)，結(jié)合切削力模型迭代求解各個(gè)刀位點(diǎn)處的彈性讓刀變形量，從而修正原始數(shù)控刀具軌跡代碼，達(dá)到消除加工變形誤差的目的。宋戈[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中，刀具撓度變形對(duì)加工表面產(chǎn)生讓刀誤差有比較顯著的影響。其借助材料力學(xué)撓度疊加原理，通過(guò)各個(gè)方向撓度向量的疊加，構(gòu)建了切削載荷條件下整體刀具沿特定方向撓度變形的理論預(yù)測(cè)模型。通過(guò)分析刀具撓度變形和結(jié)構(gòu)件彎曲變形對(duì)刀具-結(jié)構(gòu)件接觸副的耦合作用規(guī)律，構(gòu)建了以刀具-結(jié)構(gòu)件變形為反饋的整體薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工表面讓刀誤差及切削力柔性預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

盡管采用有限元仿真技術(shù)能夠?qū)φw薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是由于模擬中材料模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)件材料的物理屬性不能很好吻合，而且在建模過(guò)程中進(jìn)行了某些簡(jiǎn)化，無(wú)法全面考慮周?chē)h(huán)境的影響，如溫度、機(jī)床振動(dòng)、刀具磨損等，因此有限元模擬結(jié)果和實(shí)際變形情況仍有較大差距。此外，在仿真過(guò)程中，摩擦模型及材料斷裂準(zhǔn)則與實(shí)際情況也存在一定偏差。

2 高精度加工裝夾具優(yōu)化

夾緊力是影響整體薄壁結(jié)構(gòu)件變形的一個(gè)重要因素，結(jié)構(gòu)件在機(jī)床上的裝夾精度對(duì)加工精度有重要影響，20%～60%的加工誤差是由裝夾引起的。裝夾具的剛度和穩(wěn)定性直接影響結(jié)構(gòu)件的加工尺寸和形狀誤差，尤其是對(duì)弱剛度結(jié)構(gòu)件，夾緊力引起的變形更不容忽視。通過(guò)調(diào)整夾具元件的位置或添加必要的夾具元件，能夠達(dá)到減小變形的目的。隨著對(duì)整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工精度要求的不斷提高，對(duì)裝夾方案的優(yōu)選研究逐漸受到重視。

周小兵[11]對(duì)整體薄壁結(jié)構(gòu)件裝夾變形作了分析研究，使用有限元仿真作為分析和計(jì)算變形的方法，提出了針對(duì)整體薄壁結(jié)構(gòu)件裝夾方案的設(shè)計(jì)原則，以及控制裝夾變形的方法:① 采用子問(wèn)題優(yōu)化方法，對(duì)裝夾方案中的裝夾位置進(jìn)行優(yōu)化，以得到各裝夾位置點(diǎn)的最優(yōu)匹配，從而減小裝夾變形；② 采用符合變夾緊力相關(guān)曲線的力來(lái)夾持結(jié)構(gòu)件，并求解出典型零件在典型裝夾方案下的變夾緊力相關(guān)曲線。

秦國(guó)華等[12]系統(tǒng)地提出了分析與優(yōu)選夾緊力大小、作用點(diǎn)及夾緊順序的通用方法，基于由摩擦力引起的接觸力依賴(lài)性的特點(diǎn)，定量分析了多重夾緊元件及其作用順序?qū)φw薄壁結(jié)構(gòu)件變形的影響，并建立了裝夾方案的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)提出基于最小總余能原理的有限元求解方法。此外，針對(duì)7075鋁合金航空材料整體薄壁結(jié)構(gòu)件，進(jìn)行基于夾緊方案的結(jié)構(gòu)件變形有限元仿真與模擬，模擬結(jié)果顯示，夾緊力大小、作用點(diǎn)及夾緊順序?qū)Y(jié)構(gòu)件變形具有重要影響。

裝夾方案的優(yōu)選在整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工中尤為重要，需要進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)整體薄壁結(jié)構(gòu)件跟蹤刀具軌跡智能裝夾系統(tǒng)和應(yīng)力均布裝夾系統(tǒng)的研究，這些工作在理論和實(shí)踐中仍需繼續(xù)加強(qiáng)。

3 材料與工藝優(yōu)化

何志英等[1]通過(guò)對(duì)大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件的加工過(guò)程進(jìn)行變形、殘余應(yīng)力分布分析及試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：①在將加工分為粗加工和精加工兩個(gè)過(guò)程時(shí)，若精加工毛坯定位取粗加工毛坯的中心部位，則可以有效減小加工后的變形，且粗加工毛坯厚度越大，結(jié)構(gòu)件最后的變形越??；②經(jīng)過(guò)粗加工去除上下表面所獲得的精加工毛坯，其內(nèi)部殘余應(yīng)力比未進(jìn)行粗加工的毛坯分布更均勻，應(yīng)力值也較小，且粗加工毛坯厚度越大，殘余應(yīng)力值越小，分布越均勻；③ 在結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中，隨零件底板剩余厚度的減小，可以將變形分為變形增大和變形減小兩個(gè)過(guò)程，在這兩個(gè)過(guò)程中存在一個(gè)使結(jié)構(gòu)件變形最大的變形臨界點(diǎn)，在這一變形臨界點(diǎn)處應(yīng)采取有效措施減小結(jié)構(gòu)件的變形。

王志剛等[13]根據(jù)ANSYS有限元分析結(jié)果，提出在精加工數(shù)控編程時(shí)，使刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加一個(gè)偏置，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量，這樣可大幅減小讓刀誤差。文獻(xiàn)[4，9]在給定毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力和裝夾的條件下，利用有限元仿真技術(shù)模擬了不同銑削加工走刀路徑對(duì)航空框類(lèi)零件加工變形精度的影響，仿真結(jié)果表明，采用雙面環(huán)切工藝有利于保持銑削表層殘余應(yīng)力始終處于平衡狀態(tài)，能夠較好地解決加工過(guò)程中整體薄壁結(jié)構(gòu)件的扭曲變形問(wèn)題，顯著提高型面的加工精度。此外，通過(guò)采用雙面銑削工藝，使薄壁葉片葉尖區(qū)域沿厚度方向的最大數(shù)控加工誤差相比采用單面銑削工藝降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

張尚安等[14]對(duì)多個(gè)腔體的整體薄壁結(jié)構(gòu)件采用先保證腹板尺寸，再加工筋、肋結(jié)構(gòu)的方法。對(duì)于腔體比較單一，中間加強(qiáng)肋較少的變形控制，還要按需增加工藝凸臺(tái)等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以對(duì)腹板起到加強(qiáng)作用。

另外，對(duì)于航空航天結(jié)構(gòu)件制造中常采用的鋁合金、鈦合金材料，因?yàn)椴牧蟽?nèi)應(yīng)力大、變形傾向大，所以在進(jìn)行粗加工后可按需要適當(dāng)增加自然時(shí)效或人工時(shí)效工序，待應(yīng)力有效釋放后再進(jìn)行精加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

整體薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形是切削加工過(guò)程中毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削過(guò)程中熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，以及裝夾應(yīng)力等耦合作用的結(jié)果，盡管開(kāi)展了切削加工過(guò)程變形預(yù)測(cè)與控制、裝夾具、材料、工藝優(yōu)化等方面的研究，但所進(jìn)行的研究工作大多是獨(dú)立進(jìn)行的，因此還需要開(kāi)展綜合考慮切削載荷與裝夾應(yīng)力的研究。此外，工藝規(guī)劃和數(shù)控編程技術(shù)在整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形控制中也起著非常重要的作用，需要重點(diǎn)關(guān)注。