基于拓?fù)鋬?yōu)化的薄壁零件裝夾布局確定方法

彭應(yīng)征

（益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 益陽 413000）

薄壁零件剛度差，在切削力的作用下，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形。其中，刀具接觸點(diǎn)的實(shí)際切削深度均小于理論切削深度，從而產(chǎn)生切刀現(xiàn)象，造成切削材料的殘留。加工彈性變形恢復(fù)后，產(chǎn)生零件的小刀誤差，在一定的加工參數(shù)條件下，工件厚度會(huì)變薄。

1 薄壁零件裝夾布局

由切削力引發(fā)的切刀現(xiàn)象越嚴(yán)重，誤差越大。彈性變形引起的誤差是不可避免的，需要采用多次重復(fù)精加工或主動(dòng)變形補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q。由于多次重復(fù)精加工效率低，工作人員可對(duì)零件的變形進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，以抵消因變形而引起的回彈加工誤差，是薄壁零件變形控制的主要研究方向。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果，確定多循環(huán)方式是在正確的切削點(diǎn)和切削力模型之間進(jìn)行迭代計(jì)算，直到加工誤差面滿足精度要求。單周和多周級(jí)誤差補(bǔ)償方案，只考慮單周誤差。有學(xué)者提出了利用變形輪廓偏置銑削路徑補(bǔ)償加工變形的方法，使薄壁腹板得到處理；有學(xué)者根據(jù)不同的變形輪廓線和變形程度對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的補(bǔ)償。以上兩種路徑補(bǔ)償方法，分別被用于分層全補(bǔ)償和基于分層全補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化補(bǔ)償；還有學(xué)者提出一種基于公差的局部誤差補(bǔ)償方法，并通過對(duì)數(shù)控程序的修正來補(bǔ)償加工誤差。側(cè)壁零件存在加工誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償、變形預(yù)測(cè)和離線主動(dòng)誤差補(bǔ)償。刀軌上各點(diǎn)的補(bǔ)償量一般等于預(yù)測(cè)變形值或乘以回彈變形系數(shù)，即單層完全補(bǔ)償。一些學(xué)者們對(duì)分層全補(bǔ)償和補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化進(jìn)行了研究，但該方法適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型薄壁零件的主動(dòng)補(bǔ)償方法研究小一點(diǎn)。

文章以大型航空薄壁件的銑削加工為例，對(duì)大型薄壁件變形的在線檢測(cè)及分割區(qū)域的優(yōu)化進(jìn)行深入分析，并采用有限元模擬分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)局部?jī)?yōu)化補(bǔ)償法和完全補(bǔ)償法的加工結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出局部?jī)?yōu)化補(bǔ)償能更好地減少變形誤差的結(jié)論，為控制大型薄壁零件銑削力引起的變形提供了一種較好的主動(dòng)補(bǔ)償方法[1]。

2 基于拓?fù)鋬?yōu)化的薄壁零件裝夾布局確定方法

2.1 進(jìn)給量的主動(dòng)優(yōu)化補(bǔ)償

大型薄壁零件剛度差在銑削力的作用下，加工過程中的工件存在變形大、回彈現(xiàn)象嚴(yán)重、加工量大的問題，導(dǎo)致實(shí)際加工面偏離加工面，產(chǎn)生“小刀現(xiàn)象”；加工后，彈性變形是因?qū)嶋H加工表面偏離工件的理論表面而產(chǎn)生的加工“回彈誤差”。薄壁零件的力學(xué)變形模型可以簡(jiǎn)化為一種簡(jiǎn)支梁。為了減少回彈加工誤差，文章提出一種通過改變進(jìn)給量來修正刀具軌跡的主動(dòng)補(bǔ)償方法，即在加工過程中利用在線檢測(cè)裝置獲取零件上加工區(qū)域的實(shí)時(shí)變形量，然后根據(jù)實(shí)時(shí)變形量值優(yōu)化補(bǔ)償進(jìn)給量，以減少或消除變形引起的加工誤差。目前，對(duì)主動(dòng)補(bǔ)償方法的研究主要集中在以下兩個(gè)方面，一是單次隨刀走行，二是多刀走行補(bǔ)償。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，對(duì)于單刀補(bǔ)償，采用一次精密加工過程完成由變形誤差引起的全部補(bǔ)償，單步補(bǔ)償效率高，但在補(bǔ)償深度較大的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的二次變形。FORMULTIPPASS 補(bǔ)償?shù)毒吲c單刀具補(bǔ)償相比，需要反復(fù)完成加工補(bǔ)償才能完成誤差補(bǔ)償，具有較高的補(bǔ)償精度，因?yàn)槊看尉庸ぱa(bǔ)償較少，所以二次變形更小，但是由于多刀，其效率將大大降低。為了提高生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)過程中往往會(huì)選擇前者。單精加工中的變形補(bǔ)償主要有兩種方法，即精確鏡面補(bǔ)償和局部?jī)?yōu)化補(bǔ)償[2]。

2.2 全鏡面補(bǔ)償

全鏡面補(bǔ)償是指路徑上各工位刀具補(bǔ)償值等于工件變形量的補(bǔ)償方法重點(diǎn)。假設(shè)工件Q 處的變形尺寸為Z，實(shí)際加工表面與理論的距離為Z，以消除誤差，此時(shí)取進(jìn)給補(bǔ)償值為Z，使進(jìn)給補(bǔ)償曲線沿理論刀軌與實(shí)際加工面對(duì)稱，因此稱之為全反射鏡補(bǔ)償。因?yàn)樗苊黠@，進(jìn)給補(bǔ)償值等于整個(gè)鏡面補(bǔ)償?shù)淖冃沃?，所以可以通過連續(xù)在不同位置的變形得到補(bǔ)償進(jìn)給路徑值。如果刀軌上的理論位置為xd，則實(shí)際加工面與該位置的理論面之間的距離為xa。按照完全鏡像補(bǔ)償?shù)脑?，只需要精確讀取每個(gè)實(shí)時(shí)變形，并對(duì)各工位的NC 代碼進(jìn)行修正，調(diào)整到加工中的xc 位置，就可以有效減少或消除工件變形引起的加工誤差。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但沒有考慮進(jìn)給補(bǔ)償值與零件變形量的耦合關(guān)系，即進(jìn)給量的增加，切削力增大導(dǎo)致變形增大，補(bǔ)償后的變形大于定位變形。因此，不能完全消除刀具現(xiàn)象引起的加工誤差。

為了研究變形補(bǔ)償耦合問題，有學(xué)者提出用變形量乘以恢復(fù)系數(shù)作為補(bǔ)償量，但它沒有具體分析確保其恢復(fù)原狀的問題；還有學(xué)者提出了基于變形預(yù)測(cè)的加工變形及耦合關(guān)系的優(yōu)化補(bǔ)償方法，即根據(jù)一組最優(yōu)補(bǔ)償值進(jìn)行擬合插值，以得到最優(yōu)補(bǔ)償路徑。但是通過理論預(yù)測(cè)值對(duì)上述補(bǔ)償方法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用過程中預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值存在一定誤差。當(dāng)需要對(duì)刀具的每個(gè)位置進(jìn)行離線優(yōu)化補(bǔ)償時(shí)，效率相對(duì)較低。針對(duì)這種情況，文章提出了一種基于在線變形測(cè)量的局部?jī)?yōu)化補(bǔ)償方法，以解決補(bǔ)償量與進(jìn)給量之間的耦合關(guān)系，零件的變形和減少加工誤差均達(dá)到精度要求范圍[3]。

2.3 基于公差的局部誤差補(bǔ)償

在實(shí)際加工過程中，如果對(duì)加工路徑上的所有位置進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)降低加工效率。事實(shí)上，實(shí)際的加工表面往往會(huì)因工件的變形而變成曲面零件。除了部分畸變區(qū)Q0 ～Q1，其他區(qū)域都在要求的誤差范圍內(nèi)，因此只需對(duì)大變形區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，使加工誤差在公差的要求范圍內(nèi)。對(duì)此，文章提出了一種基于加工過程的局部?jī)?yōu)化補(bǔ)償方法。在加工過程中，零件表面輪廓變形是逐漸變化的，只需在Q0 ～Q1 的大變形范圍內(nèi)對(duì)進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，即可滿足加工要求，而滿足要求的加工精度和變形區(qū)域按原進(jìn)給量加工。局部最優(yōu)補(bǔ)償?shù)拇_定原則算法如下。

1）確定變形的關(guān)鍵區(qū)域。假設(shè)零件的加工精度為±T，根據(jù)激光位移傳感器的實(shí)際測(cè)量，可以得知零件在加工過程中各切削點(diǎn)的變形分布位置。如果變形值u超過了精密加工的刀位點(diǎn)，則可視為變形的關(guān)鍵點(diǎn)。這一系列變形關(guān)鍵點(diǎn)由變形誤差區(qū)域組成，關(guān)鍵區(qū)域?yàn)镼0 ～Q1。變形量未超過不良部分的原加工區(qū)域，補(bǔ)償進(jìn)給將保持原樣。

2）進(jìn)給量的優(yōu)化補(bǔ)償是變形優(yōu)化的關(guān)鍵。假設(shè)關(guān)鍵工位Q 的變形值在變形區(qū)域內(nèi)，且超出加工精度范圍，根據(jù)此時(shí)的變形量來確定進(jìn)給補(bǔ)償量，通常有以下兩種確定方法：①采用全鏡像補(bǔ)償原理，變形量測(cè)量值直接作為全鏡像補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償進(jìn)給量；②利用局部?jī)?yōu)化貼片補(bǔ)償模型，得到實(shí)際優(yōu)化補(bǔ)償值，δ為該位置實(shí)測(cè)的變形值，λ為變形回彈值，k為該位置的變形耦合系數(shù)位置。

關(guān)于如何確定系數(shù)的問題，由于大型薄壁筒體零件在特定的載荷條件下（筒體兩端），在不同的切削位置具有不同的切削用量力。文章利用了有限元軟件建立了大型薄壁筒形件的三維模型，對(duì)大型薄壁筒形件在不同切削力和不同加工狀態(tài)下的不同變形進(jìn)行了有限元分析，并結(jié)合實(shí)際銑削中零件的實(shí)際變形情況過程得到零件的整體變形情況。在相同的條件下，可以在圖片中找到變形規(guī)律。在管子兩端的端部，零件剛度好，變形小；在管段中部，由于剛度較差，變形量較大。為了消除零件加工過程中產(chǎn)生的鏟齒誤差的影響，降低或消除刀具鏟削誤差對(duì)加工的影響，需要對(duì)進(jìn)給量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償準(zhǔn)確。另外，因?yàn)楸”诹慵傂圆?，?dāng)補(bǔ)償開啟時(shí)，補(bǔ)償進(jìn)給量會(huì)產(chǎn)生二次變形，即進(jìn)給補(bǔ)償量與工件二次變形的耦合現(xiàn)象零件。文章為了消除這種耦合現(xiàn)象對(duì)補(bǔ)償精度的影響，提出補(bǔ)償過程中的耦合補(bǔ)償系數(shù)，降低了耦合現(xiàn)象的影響。

從以上變形規(guī)律可以看出，不同位置的零件變形量不同，進(jìn)給補(bǔ)償量也不同相同[4]。在為了得到更精確的補(bǔ)償，根據(jù)仿真和實(shí)際加工得到的零件整體變形規(guī)律需進(jìn)行區(qū)域劃分；靠近兩端的夾持區(qū)為低變形區(qū)，中間為高變形區(qū)[5-6]。對(duì)于不同的耦合系數(shù)，確定了不同的區(qū)域。根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，零件不同部位的耦合系數(shù)如下：低變形區(qū)為K1，高變形區(qū)為K2（0 ＜K2 ＜K1 ＜1）[7]。

3 結(jié)束語

薄壁零件的裝夾布局確定方法，是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵，但目前這類大型薄壁件的變形控制方法還不成熟。文章針對(duì)這類零件提出了分區(qū)優(yōu)化補(bǔ)償方法，利用不同的耦合系數(shù)對(duì)不同區(qū)域的進(jìn)給補(bǔ)償值進(jìn)行了優(yōu)化，大大提高了補(bǔ)償精度。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析和比較可知，這兩種補(bǔ)償方法均能實(shí)現(xiàn)變形誤差的控制，但局部?jī)?yōu)化補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法。