薄壁零件數(shù)控加工變形誤差控制補償技術(shù)

張 慶

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

1 薄壁零件數(shù)控加工誤差分析

用于飛機發(fā)動機大型、小型葉片轉(zhuǎn)子、徑向輪、葉片和其它零件的高性能發(fā)動機通常是基于鈦合金，通過其元素的特性構(gòu)建完善的薄壁結(jié)構(gòu)。但由此帶來的誤差問題，是切削力在加工流程中不可避免的，同時其還包含的殘余張力，兩者相結(jié)合會導(dǎo)致零件潛在的變形和加工誤差。由此，技術(shù)人員需針對性分析薄壁零件加工過程，并有效地根據(jù)其切削力完成建模工作，同時還需依據(jù)表面殘余應(yīng)力在工件上的分布進行科學(xué)規(guī)范地建模，根據(jù)數(shù)據(jù)分析與邏輯概念，進一步針對薄壁零件加工變形誤差采取相應(yīng)的誤差補償計劃?；谒鶆?chuàng)建切削力預(yù)測模型以及針對殘余應(yīng)力計算的精確化模型，技術(shù)人員進行針對性的技術(shù)優(yōu)化，諸如切削過程的機械模擬、切削參數(shù)的優(yōu)化、刀具位置軌跡的補償以及薄壁葉輪零件的精密CNC加工。

實際上，由于數(shù)控機床的切割，在加工過程中不可避免地會發(fā)生某些誤差，這些誤差直接影響加工質(zhì)量?，F(xiàn)階段，存在大量的研究內(nèi)容來分析錯誤的根源，正確地糾正錯誤，并提高處理質(zhì)量和準確性。例如，新技術(shù)、新材料和新施工方法在實際施工過程中的靈活應(yīng)用促進了當(dāng)前CNC加工，以實現(xiàn)高水平的精度和剛性控制。同時，由于機床當(dāng)前的熱變形，切削力的變形等因素，直接導(dǎo)致加工誤差，僅通過改善機床結(jié)構(gòu)的當(dāng)前設(shè)計無法避免其誤差，從而進入現(xiàn)階段。CNC機床的加工精度受到影響。例如，當(dāng)前更常見的誤差補償方法主要包括刀具位置路徑的預(yù)校正方法和在線實時控制方法，誤差補償技術(shù)提高了零件加工的準確性。例如，在常規(guī)構(gòu)造中，如果加工部件本身具有良好的剛性，則其在力作用下的變形很小或沒有變形，這是剛性部件并且不受變形的影響。在加工薄壁零件時，表面加工容易變形，而且由于使用特殊的工具也容易變形，這最終會影響零件的精度。為確保足夠的精度，技術(shù)人員應(yīng)進行適當(dāng)?shù)挠嬎阋詫崿F(xiàn)預(yù)補償并消除影響。

多年來，技術(shù)人員已經(jīng)進行了大量研究，以識別并有效消除所有這些錯誤源。一方面，隨著當(dāng)前薄壁零件設(shè)計方法的更新?lián)Q代，技術(shù)領(lǐng)域的改進以及嶄新的材料技術(shù)應(yīng)用，再搭配目前先進化的數(shù)控零件加工設(shè)備。在當(dāng)前一定的薄壁技術(shù)手段下，可以完成較為準確的材料剛度以及方位點的運動與控制，從另一角度分析，僅僅通過這種方法，針對熱變形以及機床切削力變形而導(dǎo)致的一系列加工誤差而言。不能做到完全地避免，只能做到一定的控制與誤差分析。在今后的探索與改進中，針對機床結(jié)構(gòu)設(shè)計這一領(lǐng)域要更為充分創(chuàng)新，避免原有技術(shù)對于薄壁數(shù)控機床所涵蓋精度和質(zhì)量的限制。尤其是在針對復(fù)雜薄壁零件的處理流程中，這些問題尤為重要。刀具位置路徑的實時在線控制方法和預(yù)校正方法是2種常用的誤差補償實現(xiàn)方案。借助誤差分析與補償手段，可以適當(dāng)提升加工高精度零件的準確度。

2 切削力建模與工件切削表面殘余應(yīng)力分析

切削力建模受切削力影響，同時影響到加工的當(dāng)前變形控制、工藝參數(shù)的優(yōu)化、工具和機床的振動控制等。經(jīng)過不斷地創(chuàng)新和研究，逐步闡明了切削力模型的建立，并靈活地利用了應(yīng)變率、應(yīng)變切削速度和進給速度之間的函數(shù)關(guān)系。使用當(dāng)前指定的刀具幾何參數(shù)，技術(shù)人員可以清楚了解相關(guān)條件，進一步確認單元的未知切削系數(shù)，并獲得有關(guān)模型切削力的最終信息。為了優(yōu)化工藝參數(shù)，加工變形的控制，設(shè)備設(shè)計，刀具磨損的監(jiān)視以及機床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等方面非常重要。近年來，國內(nèi)外科學(xué)家非常重視創(chuàng)建精確的模型來預(yù)測切削力。現(xiàn)有的切削力建模方法主要包括：(1)完整的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?2)基于實驗的機械模型；(3)基于切削機理的物理模型；(4)基于人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)工具鋼的鋸齒形斷面輪廓，然后通過模型分析斜邊的剪切力、銑刀的幾何形狀，進而會受到軸向切削差異的影響。微細分銑削力是切削元件面積和單位切削力的乘積，提出了一種簡單有效的確定單位切削力模型系數(shù)的方法，使用球形端頭工具對自由形狀的表面進行多軸銑削，工具與工件之間的接觸面積以及未變形切屑的幾何形狀會進一步變化。技術(shù)人員使用Z-Map方法確定刀具與工件之間的接觸面積，將接觸面積與切削段在刀具平面中的相對投影位置進行比較，然后確定切削過程中是否包含微量元素段。

3 工件切削表面殘余應(yīng)力

實際上，殘余應(yīng)力的存在直接影響其性能和疲勞強度，甚至?xí)鹱冃?，這會產(chǎn)生更嚴重地影響并降低零件本身的性能和精度。因此，技術(shù)人員著重于如何進行有效地預(yù)測控制以及如何促進對工件表面上的殘余應(yīng)力的合理預(yù)測控制，從而從根本上改善工件的性能并確保加工精度。例如，當(dāng)前由變形較大的熱彈性塑料制成工藝，可以有效地模擬當(dāng)前不同的切削速度，了解切削深度條件下表面上殘余應(yīng)力的實際分布，并闡明沿工件表面深度方向的內(nèi)應(yīng)力的變化。工件加工表面上殘余應(yīng)力的存在，會顯著影響其疲勞強度和性能。由殘余應(yīng)力引起的變形也顯著降低了工件的加工精度，尤其是航空航天工業(yè)中常用的薄壁結(jié)構(gòu)。準確預(yù)測和控制工件表面的殘余應(yīng)力和變形，提高加工表面的完整性，提高CNC加工精度一直是精密和超精密切削領(lǐng)域的重要研究課題。技術(shù)人員利用熱彈塑性變形的有限元方法，模擬了在不同切削速度和切削深度下NiP合金高精度切削表面殘余應(yīng)力的分布情況，確定沿工件表面深度的殘余壓應(yīng)力。最大殘余壓縮應(yīng)力的位置，隨著切削深度的增加而增加。技術(shù)人員研究了材料的抗拉強度，使用盲孔法測量殘余應(yīng)力，對于選定的切削參數(shù)范圍，使得工件表面的殘余應(yīng)力基本上處于壓縮應(yīng)力下。

4 現(xiàn)階段數(shù)控加工變形誤差的控制補償方案分析

通過采取靈活有效的錯誤控制措施，從根本上提高了當(dāng)前零件的精度并可以滿足當(dāng)前的要求。例如，在此階段中，主要從兩個角度執(zhí)行用于薄壁零件的高效和精密CNC加工的關(guān)鍵技術(shù)：一方面，靈活地使用當(dāng)前切削過程的物理模擬和補償變形誤差的技術(shù)。主要內(nèi)容包括建模和切削當(dāng)前切削力機理，切削參數(shù)等。另一方面，它是當(dāng)前的五軸編程和抗干擾技術(shù)。主要內(nèi)容包括通道處理，通道分析，確定對接域，平滑工具軸矢量以及檢查工具位置路徑的生成。如果要更改當(dāng)前的CNC加工技術(shù)并提高其精度和效率，則應(yīng)進行適當(dāng)?shù)貏?chuàng)新和進一步優(yōu)化。特別是可以從以下角度進行操作：首先進行深入分析，更好地了解材料，切削機構(gòu)利用其自身的功能來實現(xiàn)切削參數(shù)，切削力的大小，殘余應(yīng)力在工件上的分布。工件表面及其它相關(guān)內(nèi)容，并通過了解其定量關(guān)系來提高其精度。其次，在加工過程中將當(dāng)前的殘余應(yīng)力，切削力等信息輸入到已建立的模型中，以便在當(dāng)前階段的基礎(chǔ)上從根本上模擬切削過程的動力學(xué)和特性，分析在諸如刀具路徑和各種切削參數(shù)等相關(guān)條件下結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，以確保提高零件的精度并符合現(xiàn)行標準。最后，靈活地使用當(dāng)前體積單位表示零件，然后闡明其自身的實際變形輪廓。工具區(qū)域的布爾運算可充分描述材料的實際去除過程并控制整個過程。在加工過程中，有必要在運算分析的基礎(chǔ)上，基于所包含的零件誤差實際，完善評估當(dāng)前變形，基于其所引起的潛在數(shù)控加工誤差充分計算，進而得出較為精準的刀具位置誤差補償量，并不斷優(yōu)化最終實現(xiàn)數(shù)控加工刀具位置的原始軌跡，以保證加工精度，滿足當(dāng)前需求。技術(shù)人員深入研究材料的高速切削機理，確定切削參數(shù)與切削力之間的定量關(guān)系，工件加工面上的殘余應(yīng)力分布等，這就是材料去除過程的正確描述方式。研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)工人在加工過程中，很難為零件組的形狀確保仿真計劃的刀具位置路徑，以確保加工精度，這會導(dǎo)致薄壁零件的誤差。在這一點上，技術(shù)人員有必要靈活運用當(dāng)前的誤差補償原理，以闡明零件變形的規(guī)律，使用補償技術(shù)優(yōu)化切削參數(shù)，校正原始軌跡并提高零件的精度。

5 結(jié)語

綜上所述，目前薄壁零件的CNC加工不可避免地會導(dǎo)致某些誤差，進而影響零件的精度和質(zhì)量。廣大技術(shù)人員應(yīng)重視生產(chǎn)細節(jié)，提升專業(yè)生產(chǎn)的精度，進而滿足當(dāng)前對高精度零件的需求。技術(shù)人員有必要積極實施技術(shù)創(chuàng)新，靈活地使用補償技術(shù)來控制CNC加工中的變形誤差，以切實提高行業(yè)發(fā)展的質(zhì)量。