機(jī)匣零件數(shù)控加工參數(shù)優(yōu)化淺析

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摘要：機(jī)匣零件在切削過(guò)程中的切削力變化將帶來(lái)殘余應(yīng)力的變化，進(jìn)而引發(fā)零件的變形，通過(guò)工裝夾具難以對(duì)零件加工變形進(jìn)行有效控制。本文基于切削載荷均衡原則，應(yīng)用先進(jìn)的物理仿真技術(shù)手段，從切削力入手開(kāi)展物理仿真，依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化數(shù)控程序，實(shí)現(xiàn)切削加工過(guò)程切削力的穩(wěn)定控制，通過(guò)基于均衡切削力的數(shù)控程序優(yōu)化，控制零件表面應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布狀態(tài)，進(jìn)而控制零件表面振紋的產(chǎn)生、降低表面應(yīng)力集中現(xiàn)象、提升零件表面加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)匣；切削力；殘余應(yīng)力

1引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，是典型的大型薄壁難加工零件，其加工變形問(wèn)題一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的技術(shù)難點(diǎn)之一。目前，機(jī)匣零件加工工藝方案制定依賴(lài)工藝人員的工程經(jīng)驗(yàn)，編制的數(shù)控程序僅進(jìn)行幾何仿真驗(yàn)證，沒(méi)有考慮殘余應(yīng)力對(duì)零件加工變形的影響。已有研究表明殘余應(yīng)力是引發(fā)零件加工變形的重要因素之一，而隨著切削過(guò)程中材料去除，原有的應(yīng)力狀態(tài)將被破壞，加工過(guò)程產(chǎn)生的切削力和切削熱將對(duì)殘余應(yīng)力分布帶來(lái)新的變化，僅通過(guò)工裝夾具難以對(duì)零件加工變形進(jìn)行有效控制。零件殘余應(yīng)力的存在是引起加工變形的主要因素之一，目前殘余應(yīng)力的研究主要集中在殘余應(yīng)力的釋放和重新分布上，國(guó)內(nèi)外最常用于控制并消除殘余應(yīng)力的方法包括恒溫時(shí)效法、振動(dòng)時(shí)效法、深冷處理法等，并未考慮通過(guò)控制切削過(guò)程實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的控制。在切削過(guò)程中，零件加工表面隨著材料去除，必然引入新的殘余應(yīng)力，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件的薄壁、弱剛性等特性，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力必然引發(fā)不可控的加工變形。因此，通過(guò)數(shù)控程序分析優(yōu)化，約束機(jī)匣零件加工過(guò)程切削力的變化，是控制機(jī)匣零件表面應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的重要工藝方法。

2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制工作采用了基于經(jīng)驗(yàn)的、實(shí)物試制的技術(shù)驗(yàn)證方式，技術(shù)驗(yàn)證工作完全依賴(lài)型號(hào)研制工作進(jìn)行，驗(yàn)證周期長(zhǎng)、成本高，造成型號(hào)研制能力和研制周期嚴(yán)重滯后，研發(fā)工作反反復(fù)復(fù)。為有效解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制和批產(chǎn)產(chǎn)品試制周期長(zhǎng)、試驗(yàn)成本高以及加工制造過(guò)程中的變形等問(wèn)題，引入工藝仿真技術(shù)手段，對(duì)零件的數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，及時(shí)解決零件制造問(wèn)題。物理仿真技術(shù)已成為當(dāng)今制造科學(xué)的前沿技術(shù)之一，受到企業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。不論是針對(duì)單點(diǎn)工藝的切削狀態(tài)仿真，還是針對(duì)連續(xù)工藝的制造過(guò)程仿真，都已經(jīng)開(kāi)始研究，用于提升制造過(guò)程的穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外主流的分析方法有兩種，第一種是采用有限元分析的方法：金秋等針對(duì)薄壁件的銑削加工過(guò)程，建立了考慮瞬態(tài)銑削力的工件變形有限元模型；KayeR等通過(guò)有限元分析的方法分析飛機(jī)機(jī)翼零件的加工剛性，提供剛性評(píng)價(jià)結(jié)果，為切削參數(shù)選取提供依據(jù)[1]。另一種是利用目前已有的優(yōu)化算法，通過(guò)建立裝夾-零件-切削參數(shù)之間的關(guān)系分析零件剛性。HarmanAB通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)構(gòu)建零件尺寸與剛性的關(guān)系，利用多種約束條件，分析了飛機(jī)接頭零件的剛性[2]。圍繞切削加工過(guò)程物理仿真，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、山東大學(xué)、大連理工大學(xué)及北京航空航天大學(xué)等院校也開(kāi)展了大量研究工作[3，4]。西北工業(yè)大學(xué)萬(wàn)敏、張衛(wèi)紅等率先考慮了銑刀底刃切削作用，首次提出了三元切削力模型，有效地提高了切削力仿真預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，并且被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)還開(kāi)展了大量的機(jī)加工表面殘余應(yīng)力研究。覃孟揚(yáng)研究了切削刃鈍圓對(duì)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明鈍圓半徑越大，殘余壓應(yīng)力越大，應(yīng)力層越厚。孫雅洲在切削加工的有限元建模上做了大量實(shí)質(zhì)性的工作。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在切削力產(chǎn)生機(jī)理上已經(jīng)取得重大突破，先進(jìn)物理仿真技術(shù)能夠仿真出切削過(guò)程產(chǎn)生的切削力，但是缺乏有效的切削力控制手段。

3參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制技術(shù)應(yīng)用

3.1參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制技術(shù)路線(xiàn)

通過(guò)先進(jìn)的物理仿真技術(shù)手段，從切削力入手開(kāi)展仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化數(shù)控程序，控制機(jī)加過(guò)程的切削力變化，通過(guò)基于均衡切削力的數(shù)控程序優(yōu)化，控制零件表面應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布狀態(tài)，進(jìn)而控制零件表面振紋的產(chǎn)生、降低表面應(yīng)力集中現(xiàn)象、提升零件表面加工質(zhì)量。具體步驟如下：1）導(dǎo)入零件的CAD模型，導(dǎo)入G代碼和APT-Code文件，模型尺寸必須保證與設(shè)計(jì)尺寸一致。2）設(shè)置機(jī)床信息，重點(diǎn)包含行程極限、轉(zhuǎn)速及進(jìn)給極限、主軸功率等信息。3）設(shè)置刀具信息，設(shè)置菱形刀片、槽刀、成型刀等刀具類(lèi)型的具體刀具參數(shù)，且刀具參數(shù)與實(shí)際使用刀具參數(shù)一致。4）根據(jù)導(dǎo)入的工件模型、設(shè)置的刀具參數(shù)及導(dǎo)入的數(shù)控程序進(jìn)行切削力仿真，支持不同切削方式的切削力仿真。切削力仿真是指根據(jù)現(xiàn)有切削材料數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)模擬刀具與材料的實(shí)時(shí)有效切削面積，計(jì)算切削過(guò)程中任意時(shí)間t產(chǎn)生的X向、Y向、Z向三個(gè)方向的切削力Fcx(t)、Fcy(t)、Fcz(t)，并通過(guò)計(jì)算得到加工過(guò)程中產(chǎn)生的切向力Fct(t)、徑向力Fcr(t)、軸向力Fcz(t)及合力Fcom(t)。計(jì)算出有效切削過(guò)程切向力、徑向力、軸向力及合力的平均切削力：5）仿真數(shù)據(jù)分析，記錄切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力；6）根據(jù)約束條件判斷切削過(guò)程穩(wěn)定性。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算出的平均切削力設(shè)定切削力的上限Flimmax及下限Flimmin，當(dāng)整個(gè)仿真結(jié)果中超出切削力上下限的區(qū)間達(dá)到10%時(shí)，即認(rèn)為切削狀態(tài)不穩(wěn)定為當(dāng)切削過(guò)程不穩(wěn)定時(shí)，有兩種解決方案。方案一：根據(jù)仿真結(jié)果分別調(diào)整切削參數(shù)、走刀路徑、刀具擺角等參數(shù)，重新開(kāi)展切削力仿真分析。方案二：根據(jù)切削力仿真結(jié)果，將數(shù)控程序進(jìn)行適應(yīng)性打斷：第一種是固定劃分周期，即每隔固定時(shí)間t1就對(duì)程序進(jìn)行一次打斷，共將程序打斷成m段（其中，T為切削過(guò)程的總時(shí)間，則）；第二種是按照切削力變化幅度進(jìn)行劃分，每段程序的時(shí)間都根據(jù)切削力變化幅度計(jì)算得出。將打斷后的數(shù)控程序通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給f，使切削力控制在約束區(qū)間內(nèi)，保證數(shù)控程序切削過(guò)程的穩(wěn)定性。7）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，按照需求輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序。8）應(yīng)用優(yōu)化后的數(shù)控程序進(jìn)行加工驗(yàn)證。參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制技術(shù)總體思路如圖1所示。

3.2切削力仿真分析及優(yōu)化

（1）殘余應(yīng)力檢測(cè)對(duì)零件切削前的初始應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)零件上端面檢測(cè)8點(diǎn)、下端面檢測(cè)8點(diǎn)、周向檢測(cè)4點(diǎn)，四個(gè)零件檢測(cè)位置相同。通過(guò)測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，零件改進(jìn)前表面殘余應(yīng)力的大小、位置均不一樣，應(yīng)力波動(dòng)較大，零件1應(yīng)力極值相差525MPa，零件2應(yīng)力極值相差652MPa，零件3應(yīng)力極值相差746MPa，零件4應(yīng)力極值相差963MPa。（2）切削力仿真環(huán)境設(shè)置將零件模型導(dǎo)入到仿真軟件中，將編制的數(shù)控程序?qū)氲杰浖?，?dǎo)入的數(shù)控程序?yàn)镚代碼，零件的模型及截面輪廓圖如圖2所示。機(jī)床及刀具信息配置，如圖3所示。在仿真軟件的G-code機(jī)床配置界面中進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置。其中，Programming_Type（編程模式）中選擇Radial_Programming（半徑編程）；Motion（機(jī)床運(yùn)動(dòng)模式）中快速進(jìn)給、直線(xiàn)插補(bǔ)、左圓弧、右圓弧分別設(shè)置成G00、G01、G02、G03；Tool_Nose_Radius_Compensation（刀具半徑補(bǔ)償）Left（左刀補(bǔ)）設(shè)置成G41，Right（右刀補(bǔ)）設(shè)置成G42；其余的參數(shù)可為默認(rèn)值。設(shè)置刀具信息，刀具類(lèi)型選擇車(chē)削刀具，刀具參數(shù)按照刀具實(shí)際尺寸進(jìn)行設(shè)置：刀片厚度4.762mm，最大切深10mm，兩側(cè)刀刃半徑2.38mm，刀刃傾角2°。（3）切削力仿真對(duì)于環(huán)形機(jī)匣零件，徑向力是造成零件變形的主要因素，對(duì)原始的數(shù)控程序進(jìn)行切削力分析，如圖4所示。最大切向力為495.7N，發(fā)生在轉(zhuǎn)角位置，由于該處加工余量較其余切削部位稍大，導(dǎo)致切削力較大。經(jīng)過(guò)分析可得：Flimmax=318.4N，F(xiàn)limmin=185.73N，平均切削力=265.34N。從圖4可知，切削力跳動(dòng)現(xiàn)象明顯，且最大切削力是平均切削力的1.87倍，明顯不利于表面應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的控制。（4）數(shù)控程序優(yōu)化對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行手工分段，進(jìn)行逐段優(yōu)化，優(yōu)化后的數(shù)控程序重新進(jìn)行切削力仿真，仿真結(jié)果對(duì)比示意圖如圖5所示。程序優(yōu)化后每段刀軌直線(xiàn)切削末端切削量較大的區(qū)域進(jìn)給率降低到原來(lái)的1/2左右，空切削區(qū)域進(jìn)給率增大到原來(lái)的10倍，總體加工時(shí)間由2385s減少到2240s，切削力降低無(wú)突變，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率。輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序，程序?qū)Ρ热鐖D6所示，應(yīng)用優(yōu)化的數(shù)控程序進(jìn)行加工驗(yàn)證。

3.3零件加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將加工后的零件上下端面的表面應(yīng)力再一次進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用原始數(shù)控程序進(jìn)行加工得到的表面應(yīng)力場(chǎng)，以及應(yīng)用優(yōu)化后數(shù)控程序進(jìn)行加工得到的表面應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)用原始數(shù)控程序，零件4端面表面最大應(yīng)力能達(dá)到1226MPa，而最小應(yīng)力僅263MPa，應(yīng)力相差963MPa。應(yīng)用優(yōu)化后的數(shù)控程序進(jìn)行加工，零件3表面應(yīng)力最大值684MPa，最小值616MPa，應(yīng)力相差68MPa，零件4表面最大應(yīng)力值700MPa，最小值649MPa，應(yīng)力相差51MPa。優(yōu)化前后的數(shù)控程序加工后檢測(cè)技術(shù)條件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，改進(jìn)前零件終檢端面圓度最大0.29mm，采用優(yōu)化后的數(shù)控程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證，零件端面圓度最大值僅0.057mm，準(zhǔn)確度提升80.34%，滿(mǎn)足圓度0.2mm的技術(shù)條件。改進(jìn)前零件內(nèi)外型面同軸度0.465mm，采用優(yōu)化后數(shù)控程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證，零件同軸度為0.171mm，同軸度提升63.22%，已滿(mǎn)足0.2mm的技術(shù)條件。經(jīng)過(guò)加工驗(yàn)證，應(yīng)用基于恒定切削力的表面應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)控制方法，零件加工后的表面殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯下降，且零件變形得到有效控制。

4結(jié)束語(yǔ)

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)某機(jī)匣零件加工過(guò)程控制為例，應(yīng)用面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜機(jī)匣零件表面數(shù)控加工的參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力控制方法，有效改善零件表面應(yīng)力分布，在提升零件加工質(zhì)量的前提下提高加工效率。按照優(yōu)化程序進(jìn)行加工，加工振紋明顯降低，零件表面應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯改善，多個(gè)零件加工后結(jié)果趨同，自由狀態(tài)下應(yīng)力釋放引發(fā)的變形得到有效控制。1）零件端面表面最大應(yīng)力從1226MPa，降低到700.19MPa，有效降低零件表面殘余應(yīng)力。2）零件殘余應(yīng)力差值從963MPa，降低到68MPa，有效消除零件表面殘余應(yīng)力的集中現(xiàn)象。3）零件終檢端面圓度從最大0.29mm，降低到0.057mm，準(zhǔn)確度提升80.34%，滿(mǎn)足圓度0.2mm的技術(shù)條件。4）零件內(nèi)外型面同軸度從0.465mm，降低到0.171mm，同軸度提升63.22%，滿(mǎn)足0.2mm的技術(shù)條件要求。

作者:馬明陽(yáng) 周鑫 高陽(yáng) 單位:中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司