航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁環(huán)形件裝夾布局優(yōu)化分析*

張臣宏 于建華 周立峰

(中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 200241)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分零件都是薄壁件，對(duì)尺寸、形位公差和表面質(zhì)量要求很高，其中大量帶周向島嶼凸臺(tái)特征的薄壁環(huán)形件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用。薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)件是一種典型的弱剛性零件，該類(lèi)零件通常具有較大的徑厚比(半徑與壁厚之比)，周向特征使零件的應(yīng)力集中問(wèn)題較突出，在裝夾和切削過(guò)程中極易出現(xiàn)變形，導(dǎo)致零件整體合格率較低。為了提高薄壁環(huán)形零件的加工質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從3個(gè)方面展開(kāi)了大量的研究。

(1)殘余應(yīng)力[1-3]：優(yōu)化薄壁環(huán)形零件毛坯自身殘余應(yīng)力分布，提前釋放毛坯殘余應(yīng)力，降低零件在切削過(guò)程中由于應(yīng)力釋放而導(dǎo)致的變形量。

(2)裝夾約束[4-6]：通過(guò)優(yōu)化裝夾布局，消除誤差敏感方向上不合理的約束，減小薄壁環(huán)形零件在裝夾過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變。

(3)切削力、熱耦合作用[7-8]：優(yōu)選切削參數(shù)，優(yōu)化走刀路徑，設(shè)置誤差補(bǔ)償量，降低切削力熱耦合物理場(chǎng)對(duì)薄壁環(huán)形零件變形的影響。

上述研究主要針對(duì)特定零件或零件上的特定結(jié)構(gòu)，本文主要對(duì)典型薄壁環(huán)形件使用現(xiàn)場(chǎng)仿真快捷性和應(yīng)用普適性進(jìn)一步進(jìn)行研究。從裝夾方案和裝夾布局方面分析薄壁環(huán)形零件變形機(jī)理，通過(guò)有限元軟件建立了不同定位元件布局下的裝夾模型，探討最優(yōu)化的裝夾布局方案。并結(jié)合實(shí)際銑削加工后的零件檢測(cè)結(jié)果分析該類(lèi)薄壁環(huán)形件銑削變形控制的方法和思路。最后，給出了可廣泛適用的薄壁環(huán)形件變形控制加工方案。

1 薄壁環(huán)形件結(jié)構(gòu)及裝夾方案分析

薄壁環(huán)形件形狀特征復(fù)雜、整體剛性差且精度要求極高。以本文研究對(duì)象為例，工件為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，最大外徑為222 mm，尺寸公差0.04 mm，徑向厚度8 mm，內(nèi)外環(huán)同心度要求為0.03 mm，軸向最大厚度7.5 mm，兩端面平行度要求為0.02 mm，尺寸公差0.05 mm。為了降低薄壁環(huán)形件的內(nèi)部應(yīng)力，在工件外環(huán)上增加一個(gè)槽特征，該特征同時(shí)也可作為工件角向定位點(diǎn)。工序要求在工件端面上銑削若干均勻分布的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，在三軸銑削加工設(shè)備上完成，裝夾、切削過(guò)程中容易造成工件變形。

針對(duì)此類(lèi)環(huán)形零件，實(shí)際加工中經(jīng)常采用傳統(tǒng)的組合工裝進(jìn)行零件軸線(xiàn)方向上的裝夾定位，通過(guò)輪換壓板的位置來(lái)完成加工。此類(lèi)加工方式不需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)工裝，但會(huì)在加工表面形成接刀痕，工件表面質(zhì)量不易滿(mǎn)足要求，且裝夾力無(wú)法得到有效控制，容易造成工件在誤差敏感方向上形成較大的壓應(yīng)力，最終導(dǎo)致工件應(yīng)力釋放后形狀公差不符合要求。

在環(huán)形件接觸面較大的情況下，也可以通過(guò)粘膠的方式裝夾工件。此類(lèi)裝夾方式幾乎無(wú)裝夾應(yīng)力，且非常適用于工件定位基準(zhǔn)面初始狀態(tài)較差的情況。但裝夾力較小，在切削余量較大的情況下需要通過(guò)降低切削深度和進(jìn)給率來(lái)降低切削力，避免造成粘接失效的現(xiàn)象。且粘膠的固化和去除時(shí)間較長(zhǎng)，制約了制造效率，在實(shí)際生產(chǎn)中受到限制。

為了降低工件在誤差敏感方向(軸向)上的裝夾應(yīng)力，根據(jù)工件大徑厚比的特征引入了直徑方向上的定位裝夾元件。

首先，采用“大面短銷(xiāo)”的定位方式確定工件位置，如圖2所示，根據(jù)6點(diǎn)定位原理，定位平面C限制了工件x、y向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和z向移動(dòng)自由度，定位圓柱面A限制了工件x和y方向的移動(dòng)自由度。另外，定位點(diǎn)B作為角向定位，限制工件z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，工件為完全定位。

其次，在工件外環(huán)面上均布若干具有和工件外徑相同直徑的扇形元件Ai(i=1,2,3,…)，通過(guò)在Ai上施加相應(yīng)的指向圓心方向的夾緊力Ri(i=1,2,3,…)夾緊工件。另外，工裝定位圓柱面加工精度較高，施加夾緊力之前該圓柱面與工件定位圓柱面A的間隙較小，有效降低了工件在直徑方向上的變形裕度。在夾緊力Ri的作用下，兩圓柱面形成摩擦副，通過(guò)增大夾緊力Ri可以增大工件在z方向上的壓緊力fz，且不會(huì)產(chǎn)生z向壓應(yīng)力，避免了應(yīng)力釋放后出現(xiàn)工件“翹曲”的現(xiàn)象。

2 裝夾布局方案與變形模擬分析

在工件裝夾系統(tǒng)中，定位方式和位置均保持不變，如圖3所示，夾緊元件Ai布置在工件外圓柱面上，按一定角度θ均勻放置，Ai的數(shù)量和夾緊力Ri的大小是影響工件裝夾變形的重要因素。為了獲得相對(duì)合理的夾緊方式，在控制夾緊力Ri保持不變的情況下，通過(guò)改變Ai的數(shù)量改變夾緊布局方案。針對(duì)該薄壁環(huán)形工件，以提高夾具工件系統(tǒng)的剛性和減少裝夾變形為目標(biāo)，利用有限元模擬分析方法進(jìn)行裝夾布局優(yōu)化。

本文采用ABAQUS有限元軟件建立有限元模型，分析在不同裝夾布局下工件的變形情況。如圖4所示，以4點(diǎn)夾緊為例，分別在4個(gè)螺栓上施加直徑方向的夾緊力R1～R4，通過(guò)夾緊元件A1～A4夾緊工件。其中夾具座、螺栓和夾緊元件剛度遠(yuǎn)大于薄壁環(huán)形工件，可在分析模型中視為剛體。工件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，所用單元均為8節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性單元C3D8R。

在夾緊力保持恒定的情況下，改變夾緊元件的數(shù)量，通過(guò)對(duì)比分析工件變形情況，可以對(duì)夾具布局設(shè)計(jì)進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。4種不同布局下的有限元分析結(jié)果如圖5所示，每增加一個(gè)夾緊元件，工件變形量成倍減小，隨著夾緊元件的增加，工件最大變形量和最大應(yīng)力基本保持了逐漸減小的趨勢(shì)，說(shuō)明工件-夾具系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。方案4相比于方案3應(yīng)力增大，原因是夾緊點(diǎn)6距角向定位點(diǎn)距離太小，造成該處局部應(yīng)力增大，但工件整體變形并未受到影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，夾緊變形量并不是越小越好，需要綜合考慮多種因素，例如夾具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、夾具拆卸便捷性等，在夾緊變形量符合加工要求前提下，布置的點(diǎn)越少越好。

表1 裝夾應(yīng)力和變形量

3 薄壁環(huán)形件銑削加工驗(yàn)證

有限元分析方法可以為弱剛性薄壁環(huán)形件變形控制夾具的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化思路，而在實(shí)際切削加工中，可以通過(guò)改變切削參數(shù)和走刀路徑來(lái)降低切削力對(duì)工件加工精度的影響。根據(jù)上述有限元仿真的結(jié)果，選擇4點(diǎn)夾緊布局作為薄壁環(huán)形工件的裝夾方案，采用高速分層銑削策略，通過(guò)減小單次銑削去除余量降低切削力。如圖6所示，在工件上端面加工若干凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，該工件上下端面平行度和內(nèi)外環(huán)同心度均不超過(guò)0.02 mm，有效控制了工件變形，提高了薄壁環(huán)形類(lèi)工件的加工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

在薄壁結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的趨勢(shì)下，弱剛度結(jié)構(gòu)加工變形控制變得尤為重要。本文通過(guò)有限元模擬方法分析了工件在裝夾狀態(tài)下的變形情況，并針對(duì)不同夾緊布局下的工件狀態(tài)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋鐖D7所示，為弱剛性薄壁環(huán)形零件夾具設(shè)計(jì)提供思路，最后通過(guò)實(shí)際切削試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元預(yù)測(cè)方法的有效性。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，各類(lèi)復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件將應(yīng)用得更加廣泛，產(chǎn)品制造前的問(wèn)題預(yù)測(cè)和方案優(yōu)化將提供最佳的裝夾與加工方案，并創(chuàng)造極大的經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)價(jià)值。