航空鋁合金高薄緣條類零件數(shù)控加工策略優(yōu)化

李華溢,劉標(biāo),徐繼文

沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

以鋁合金為原材料的零部件在航空產(chǎn)品中占有極高的比重,緣條指結(jié)構(gòu)件邊緣的立面,在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中起隔離、支撐和搭接等作用,工程實(shí)際中普遍將高度與厚度比值超過30：1的緣條結(jié)構(gòu)定義為高薄緣條。

實(shí)際加工中,高薄緣條類零件在數(shù)控銑削加工過程中極易發(fā)生振顫,這種振顫一般歸因于零件結(jié)構(gòu)抵抗切削力引發(fā)變形的能力不足,由于零件毛坯受到刀具切削力作用后,除了發(fā)生切屑脫落還會(huì)發(fā)生一定程度的彈性變形[1],伴隨銑刀的切入和切出,切削力周期性作用于被加工表面,零件緣條則伴隨著變形發(fā)生高頻振動(dòng),繼而出現(xiàn)加工噪音大、被加工表面出現(xiàn)“豎條”狀條紋等現(xiàn)象(見圖1),嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致零件厚度超差。

圖1 高薄緣條表面加工缺陷

科研人員和工程人員一般通過優(yōu)化加工參數(shù)、改進(jìn)加工策略等手段降低切削力、提高加工系統(tǒng)剛性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋁合金高薄緣條的精準(zhǔn)制造。張自平[2]通過高速銑削鋁合金實(shí)驗(yàn)指出,較小的軸向切深和較大的徑向切深可得到較小的切削力和較好的表面質(zhì)量;白萬金等[3]對(duì)航空薄壁件對(duì)稱及階梯對(duì)稱銑削進(jìn)行了仿真研究;鄭耀輝等[4]通過有限元分析和試切實(shí)驗(yàn)研究了不同加工順序(左右對(duì)稱、分層對(duì)稱、階梯對(duì)稱和金字塔對(duì)稱四種加工順序)對(duì)薄壁件加工變形的影響,得出金字塔對(duì)稱加工方法可有效減小加工變形,但是加工流程安排較為復(fù)雜;申運(yùn)鋒等[5]提出一種銑削加工過程的仿真分析方法,并驗(yàn)證了階梯對(duì)稱走刀方式的加工變形量最小。工程中較為常見的處理方案是在高薄緣條內(nèi)形一側(cè)預(yù)留3～5倍的加工余量,同時(shí)降低切削深度,增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛性。

大量的工程實(shí)際證明上述方法對(duì)高薄緣條數(shù)控加工振顫起到了較好的抑制作用,但是加工效率受到較大的影響,制造周期成倍增長(zhǎng)。因此,本文提出一種既能降低高薄緣條類零件加工振顫,又能同時(shí)提高加工效率的數(shù)控加工工藝優(yōu)化策略。

2 高薄緣條加工振顫?rùn)C(jī)理分析

圖2a為鋁合金高薄緣條零件加工過程中的剖面示意圖。零件采用真空夾具進(jìn)行夾緊,加工區(qū)域的受力分析如圖2b所示,底部自由度完全定位,頂端則處于自由狀態(tài),因此可將這種加工方式簡(jiǎn)化為懸臂梁力學(xué)模型,如圖2c所示。這一力學(xué)模型在自由端抵抗變形的能力最弱,受切削力作用后,撓度ω和轉(zhuǎn)角θ是度量變形的兩個(gè)基本量。

(a)緣條加工時(shí)剖面狀態(tài)

撓度ω的力學(xué)公式為

(1)

轉(zhuǎn)角θ的力學(xué)公式為

(2)

式中,F為切削時(shí)的徑向力;l為緣條頂端到底部的長(zhǎng)度;E為材料彈性模量,僅與材料類別有關(guān);I為材料橫截面對(duì)彎曲中性軸的慣性距,與零件橫截面幾何形狀有關(guān),相同幾何形狀,I與厚度值成正比。

度量變形的兩個(gè)基本量撓度ω和轉(zhuǎn)角θ反映了加工部位受力之后的變形量極值,伴隨銑刀刃周期性地切入和切出,切削力的作用周期成為加工振動(dòng)的頻率f,則撓度ω和轉(zhuǎn)角θ即成為振動(dòng)的振幅A,當(dāng)被加工部位抵抗變形的能力較弱,即撓度ω和轉(zhuǎn)角θ較大時(shí),振動(dòng)的振幅A較大,當(dāng)?shù)度星谐銮邢髁π遁d時(shí),被加工部位回彈較大,表現(xiàn)為加工時(shí)發(fā)出尖銳刺耳的噪音。當(dāng)?shù)毒弑豢醋鲃傮w時(shí),由于被加工部位回彈,被加工表面出現(xiàn)豎直條紋。

分析式(1)和式(2)可知,在切削力相同的情況下,同一材料零件緣條的高厚比(高度和厚度的比值)越大,則緣條抵抗變形的能力越差,應(yīng)變量隨之增大,緣條頂端是整個(gè)加工系統(tǒng)中應(yīng)變最大的部位,因此實(shí)際表現(xiàn)為緣條立面上半部分的豎直條紋現(xiàn)象較為明顯,當(dāng)豎直條紋深度超過零件緣條厚度公差時(shí)將導(dǎo)致零件報(bào)廢。此外,加工幅同時(shí)受緣條高度和長(zhǎng)度跨度的復(fù)合影響,緣條長(zhǎng)度方向的跨度尺寸對(duì)加工振幅產(chǎn)生正影響,即長(zhǎng)度方向的跨度尺寸越大,緣條的加工振幅越大。

3 高薄緣條加工策略的優(yōu)化

綜上可知,高薄緣條加工振顫現(xiàn)象與零件加工系統(tǒng)剛性成反比,即零件加工系統(tǒng)剛性越弱,高薄緣條加工振顫現(xiàn)象越顯著,因此提高零件加工系統(tǒng)剛性(即抵抗變形能力)是解決加工振顫的關(guān)鍵。

根據(jù)上述加工振顫理論與剛性影響因素分析,當(dāng)設(shè)計(jì)部門給定材料牌號(hào)及狀態(tài)、零件緣條尺寸與結(jié)構(gòu)后,加工變形的影響因素即已經(jīng)確定,因此在不提高加工周期以降低切削力的前提下,本文提出改變工藝連接位置方法,將零件與毛料邊的工藝連接設(shè)置在高薄緣條懸空端,通過限制緣條邊界自由度來增加高薄緣條結(jié)構(gòu)的加工系統(tǒng)剛性。

改進(jìn)后零件緣條加工時(shí)的剖面狀態(tài)如圖3a所示,加工部位受切削力和壓緊力(采用真空類夾具)的受力分析如圖3b所示,兩端自由度被限制,因此在改變工藝連接位置后高薄緣條在切削過程中可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型。如圖3c所示,這一力學(xué)模型在高度方向的中點(diǎn)為剛性最差區(qū)域,即緣條高度的1/2處是整個(gè)加工系統(tǒng)中應(yīng)變最大的部位,受力后撓度ω和轉(zhuǎn)角θ是度量變形的兩個(gè)因素。

(a)緣條加工時(shí)剖面狀態(tài)

撓度ω的力學(xué)公式為

(3)

轉(zhuǎn)角θ的力學(xué)公式為

(4)

式中,F為切削時(shí)的徑向力;l為緣條頂端到底部的長(zhǎng)度;E為材料的彈性模量,僅與材料類別有關(guān);I為材料橫截面對(duì)彎曲中性軸的慣性距,與零件橫截面幾何形狀有關(guān)。在相同幾何截面形狀情況下,厚度越大,I越大。

經(jīng)對(duì)比可知,在同等工況下,改變工藝連接位置后的高薄緣條最大撓度是傳統(tǒng)方案的1/16,最大轉(zhuǎn)角是傳統(tǒng)方案的1/8,即新方案結(jié)構(gòu)抵抗切削力變形的能力是傳統(tǒng)方案的16倍,最大形變量是傳統(tǒng)方案的1/8。由此可以從理論層面證明:改變工藝連接位置,即在高薄緣條懸空端增加零件與毛料之間的工藝連接方法,可以改善高薄緣條數(shù)控加工振顫,此外沿緣條長(zhǎng)度方向分布的工藝連接還可以抑制緣條長(zhǎng)度方向的跨度尺寸對(duì)加工振動(dòng)幅度的影響。

4 有限元仿真試驗(yàn)分析

相較于切削實(shí)驗(yàn),有限元方法具有更好的細(xì)節(jié)捕捉能力和經(jīng)濟(jì)性,因此被越來越多地應(yīng)用于工程實(shí)際[6]。為了驗(yàn)證工藝連接位置的改變對(duì)零件加工系統(tǒng)剛性的影響,檢驗(yàn)改變連接位置的被加工部位受力后引起的形變改進(jìn)效果,借助ABAQUS軟件,采用相同載荷條件(正壓力0.0003MPa)、相同材料(7050-T7451鋁合金,主要物理性能見表1)以及相同網(wǎng)格劃分算法(Hex網(wǎng)格,尺寸2.5mm,C3D20R)分別對(duì)上述傳統(tǒng)加工方案和優(yōu)化后的加工方案在各自剛性最薄弱位置受力后的變形進(jìn)行分析對(duì)比。仿真分析對(duì)象設(shè)定為150mm×50mm×72mm的L形零件,壁厚2mm,如圖4所示。

表1 常溫下7050-T7451鋁合金的主要物理性能[7]

仿真采用對(duì)稱簡(jiǎn)化,即在對(duì)稱中心施加對(duì)稱邊界條件(邊界條件設(shè)置為U1=UR2=UR3=0),僅對(duì)一半結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行運(yùn)算以降低運(yùn)算量。

如圖5和圖6所示,優(yōu)化前后的仿真結(jié)果表明:優(yōu)化前,緣條受力后在剛性最薄弱位置(緣條頂端中心處)的最大變形量為0.4155mm,改變工藝連接位置后在剛性最薄弱位置(緣條高度一半位置中心處)的最大變形量為0.0032mm,因此,改進(jìn)前緣條受力后變形量約為改變工藝連接位置的加工方案的129倍,即增加工藝連接的加工方案抵抗受力變形的能力較改進(jìn)前有較大改善。

圖6 優(yōu)化前后的應(yīng)變對(duì)比

由此可知,優(yōu)化后的工藝系統(tǒng)中,伴隨衡量變形的兩個(gè)基本量(撓度ω和轉(zhuǎn)角θ)降低,銑刀刀刃周期性切入、切出形成振動(dòng)的振幅A也隨之降低,刀刃切出且切削力卸載時(shí)被加工部位回彈減小,加工噪音減弱,被加工表面豎直條紋深度減小甚至消失。

5 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的改善高薄緣條數(shù)控加工振顫的方法在實(shí)際制造環(huán)境下的有效性,以高薄緣條結(jié)構(gòu)的試件為加工對(duì)象,其極限高度(弦長(zhǎng))為133mm,厚度為2mm,跨度275mm,沿緣條邊緣每間隔100mm預(yù)留長(zhǎng)、寬為20mm,厚度為2mm的工藝連接,采用五坐標(biāo)龍門式數(shù)控銑床進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息及工藝參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息及加工參數(shù)

圖7為切削實(shí)驗(yàn)得到的試件表面狀態(tài),在緣條頂端增加了工藝連接的高薄緣條加工試件表面沒有明顯的條紋和其他缺陷,使用粗糙度對(duì)比樣塊檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),被加工表面粗糙度均滿足Ra3.2。

圖7 加工結(jié)果

在工程應(yīng)用中,制件的結(jié)構(gòu)厚度直接影響機(jī)械加工零件(尤其是結(jié)構(gòu)類零件)的使用強(qiáng)度,被加工結(jié)構(gòu)的厚度及厚度波動(dòng)是機(jī)械加工質(zhì)量體系中最重要的衡量指標(biāo)之一,本文使用超聲波測(cè)厚儀沿133mm高緣條處高度方向每隔10mm取點(diǎn)采集測(cè)量加工表面厚度值,厚度分布曲線如圖8所示。

圖8 被加工表面厚度分布曲線

可以看出,被加工表面厚度值波動(dòng)范圍為1.9～2.1mm,偏差值為-0.1～+0.1mm,符合當(dāng)前航空制造領(lǐng)域機(jī)械加工零件的厚度公差許用范圍。

6 結(jié)語

本文針對(duì)鋁合金零件數(shù)控加工中常出現(xiàn)的高薄緣條加工變形問題,分析了高薄緣條加工振顫發(fā)生的基本原理和影響因素,并建立了力學(xué)模型,提出一種改變工藝連接位置的加工方案。通過改變高薄緣條受力與約束狀態(tài),增強(qiáng)了被加工部位的剛性以抵抗加工變形引發(fā)的振動(dòng);通過有限元仿真軟件模擬了改進(jìn)前后的加工狀態(tài),并對(duì)比了加工變形狀態(tài);通過實(shí)物加工驗(yàn)證了改進(jìn)后加工方案對(duì)加工變形的影響,并對(duì)被加工表面粗糙度和厚度進(jìn)行了測(cè)量。

有限元仿真軟件模擬對(duì)比結(jié)果表明:改進(jìn)前緣條受力后在剛性最薄弱位置的最大變形量是增加工藝連接后的129倍。切削加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用增加工藝連接的高薄緣條加工方案,被加工表面粗糙度滿足Ra3.2,厚度偏差為-0.1～+0.1mm。因此,本文提出的改變工藝連接位置的加工方案可有效解決數(shù)控加工過程中的振顫問題,改善被加工表面的質(zhì)量,且具有較好的加工效率,在工程實(shí)際中具有較高的推廣價(jià)值。