薄壁框状结构件数控加工变形的方法范文

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摘要：文章通过阐述薄壁结构件，分析薄壁框状结构件数控加工变形，对薄壁框状结构件数控加工变形的有效控制提出“有限元仿真变形预测与控制”、“高精度加工装夹具优化”、“材料与工艺优化”等方法，旨在为研究如何促进薄壁框状结构件数控加工的顺利开展提供一些思路。

关键词：薄壁框状结构件；数控加工；变形；控制

0引言

在航空领域零件的数控加工中，变形控制是一项十分棘手的问题。因为薄壁零件相对刚度有限、加工去除量大以及加工工艺性不足，在数控加工中切削、刀具、装夹等一系列因素影响下，使得切削力引发突变造成刀具颤振，进一步发展成薄壁结构变形，使加工难度不断升高[1]。通过对薄壁结构件加工工艺开展优化革新，可促进对变形量的有效控制。由此可见，对薄壁框状结构件数控加工变形的有效控制方法开展研究，具有十分重要的现实意义。

1薄壁结构件概述

薄壁结构件指的是由薄型板件、加强构件组成的结构。其中薄型板件包括有隔板、腹板、蒙皮等，加强构件包括有缘条、桁条等。薄型板件与加强构件的连接存在焊接、铆接、混合等方式，并且以铆接方式为主。上世纪30年代，薄壁结构代替杆系结构，转变成航空结构的主要形式，在机身、机翼等机体中得到广泛推广。高速飞行器对蒙皮抵抗弯曲能力提出了越来越严苛的要求，因而在薄壁结构的基础上还出现了夹层结构、复合材料结构、整体结构等型式。

2薄壁框状结构件数控加工变形分析

薄壁框状结构件数控加工变形分析。虚线框中为需要明确的加工前提，同样是控制变形情况可调节的参数。对影响变形的相关因素展开分析，具体而言：其一，计算应用各式各样切削量、切削速度及进给量等条件下的残余应力及变形情况，进而获取变形所受不同切削参数的影响，并从中筛选出优化切削参数，在满足加工精度的基础上尽可能提高加工效率。其二，装夹方案优化。压板数目、位置和夹紧力大小等，不论是哪项因素发生转变均会使得有限元分析模型约束出现转变，进一步致使零件变形的转变。结合计算结构制定相关优化对策，诸如调整压板数目、位置、加紧力大小等。其三，结合数控加工前材料热处理及弯曲工艺，评估零件内初始残余应力分布状况，模拟切削加工去除材料对残余应力分布的影响情况。因为获取零件内残余应力模型存在一定的难度，所以运用有限元热分析模块简化模拟零件热处理引起的温度差，并借助ANSYS热机械耦合功能获取温度差造成残余应力分布。这一模拟过程未有考虑热冲击、人工时效、相变应力等因素，所以仅属于定性模拟。本次构建有限元模型属于静力学分析，依托载荷步动态加载切削力，对加工各个环节进行模拟；材料去除选取单元生死技术模拟，防止从微观层面评定单元分离标准，分析输出为对零件变形、残余应力的预测。

3薄壁框状结构件数控加工变形的有效控制方法

3.1有限元仿真变形预测与控制

近年来，伴随计算机技术及数值计算方法的迅猛发展，使得有限元仿真技术在切削加工工艺理论研究中得到广泛推广。和试验研究与理论分析相比较，有限元仿真技术可极大水平降低时间、成本投入，并可获取经由试验所无法得出的物理力学参数，诸如温度、应力、应变等，所以应用有限元仿真技术对薄壁框状结构件数控加工变形问题开展研究控制，已然转变成现阶段研究的一大热点方向[2]。首先，对于因毛坯初始残余应力影响加工变形的预测与控制。一般情况下，加工零件变形包括有塑性变形、弹性变形、残余应力变形等。其中尤以残余应力为造成加工后零件变形的主要原因。残余应力指的是在无外力作用下，为了保持平衡状态而存在于物体内部的应力。作为内应力的一种，残余应力的形成与不均匀塑性变形密切关联，已引发塑性变形部分与未引发塑性变形部分相互影响，进而产生弹性应力场。在数控加工中，因为零件材料去除，使得原本残余应力平衡被打破，进而引发零件变形。针对残余应力影响及变形预测，近年来研究人员展开了大量研究。例如，有研究人员在对整体结构件加工变形问题的研究中，经由有限元模拟研究得出，隔框零件加工变形受毛坯初始残余应力很大程度影响。还有研究人员对毛坯初始残余应力、装夹条件及铣削力等因素展开全面分析，构建起多因素耦合影响的铣削加工变形有限元分析模型，并将其应用于框状零件数控加工变形预测中，收获了良好的应用成效。其次，对于加工过程中变形的预测与控制。相关研究人员针对钛合金、铝合金材料开展高速铣加工，在大变形理论及虚功原理的基础上，构建起切削加工环节的三维热-弹塑性有限元模型，并借助该模型对铝合金材料高速切削加工环节开展有限元模拟，分析了高速切削加工环节切削形成过程、三维铣削力的转变情况，及应力、温度及加工表面残余应力的发展规律。应用对应构建的有限元模型，可实现对加工参数的有效优化，进而提高加工质量、效率。即便应用有限元仿真技术可实现对薄壁结构件加工变形的有效预测，然而因为模拟中材料模型与实际结构件材料物理属性存在相互不吻合的问题，并且在构建模型过程中难以系统考虑各式各样环境因素的影响，由此使得有限元模拟预测结构相较于实际变形情况依旧存在一定差距。

3.2高精度加工装夹具优化

夹紧力是影响全面薄壁框状结构件变形的一项重要因素，结构件在机床上的装夹精度会很大程度上影响到机床加工精度。结构件的加工尺寸、形状误差与装夹具的稳定性和刚度有着十分紧密的联系，特别是对于弱刚度结构件而言，夹紧力更容易引起变形。依托调节夹具元件所处部位或者加入相应的夹具元件，可有效缓解变形的引发。伴随对薄壁框状结构件加工精度要求的越来越严苛，制定科学可行的装夹方案越来越为研究人员所重视。例如，有研究人员薄壁结构件装夹变形展开了全面研究，针对变形的计算引入有限元仿真方法，研究制定了针对薄壁结构件装夹方案的优化原则，及对于装夹变形的控制方法：其一，选取子问题优化方法，即为对装夹方案中装夹部位予以优化，进而获取各装夹部位的最佳匹配。进一步缩减装夹变形。其二，选取满足变夹紧力对应曲线的力来实现对结构件的夹持，并计算获取常规零件在常规装夹方案下的变夹紧力对应曲线。还有研究人员全面提出了优化选择夹紧力作用点、大小及加紧步骤的相关方法，结合因为摩擦力引发的接触力依赖性的特征，系统分析了各夹紧元件及其作用顺序对薄壁结构件变形的影响，并构建了装夹方案的数学模型，还提出了以最小余能原理为前提的有限元求解方法[3]。除此之外，运用某铝合金航空材料薄壁结构件，模拟结构得出，结构件变形受夹紧力作用点、大小及夹紧步骤很大程度影响。另外，新型装夹方式可有效确保薄壁结构件的装夹，例如，电控永磁吸盘是将强力稀土磁钢朝X轴、Y轴依据N级、S级相互交替通过方格形式布置，进而可形成强大的磁力，确保实现精准、稳定及不易变形等功能，大多应用于高速加工中。电控永磁吸盘应用。推进装夹方案的有效优化，对薄壁框状结构件加工来说至关重要，要求不断深入开展对薄壁结构件跟踪刀具轨迹智能装夹系统及应力均布装夹系统的研究，且不论是在理论层面还是实践层面均有待不断加强。

3.3材料与工艺优化

有研究人员经由对大型薄壁结构件加工过程开展变形、残余应力分布研究，得出下述结论：其一，在将数控加工划分成精加工、粗加工两个过程中，如果将精加工毛坯定位于粗加工毛坯中心位置，则有助于缩减加工变形，并且结构件变形与粗加工毛坯厚度呈负相关关系。其二，经由粗加工去除上下表面对应获取的精加工毛坯，其内部残余应力相较于未经过粗加工的毛坯分布要均匀，应力值也更小，且残余应力值与粗加工毛坯厚度呈负相关关系。其三，在结构件加工时，伴随零件底板剩余厚度的不断缩减，可将变形划分成变形增大与变形减小两个过程，于此期间会产生一个使结构件变形最大的临界点，针对该临界点通过运用有效处理手段体有效缩减结构件的变形。还有研究人员在ANSYS有限元分析结果的基础上，提出在精加工数控编程过程中，将刀具在原本走刀轨迹上结合变形水平附加一个偏置，即为对由于变形而形成的让刀量予以补偿，如此一来，可极大水平缩减让刀误差。薄壁结构件数控刀具路径优化。还有研究人员在给定毛坯初始残余应力及装夹前提下，借助有限元仿真技术，对各式各样铣削加工走刀路径对薄壁框状结构件加工变形精度的影响展开了模拟，研究结果显示，运用双面环切工艺可促进铣削表层残余应力始终保持平衡状态，进而可有效缩减加工期间薄壁结构件的扭曲变形，切实提高型面的加工精度[5]。除此之外，相较于运用单面铣削工艺，通过运用双面铣削工艺，可实现薄壁叶片叶尖区域沿厚度方向最大数控加工误差的有效降低。值得一提的是，针对航空航天结构件制造中较常应用的钛合金、铝合金等材料，由于材料存在较大的内应力及变形倾向，因而，在进行完粗加工后，可结合实际情况适当添加自然时效或者人工时效工序，等到应力充分释放后再开展精加工。

4结束语

总而言之，薄壁框状结构件在数控加工中往往会发生变形情况，依托对变形相关影响因素的分析，以研究控制变形的方法，总结出薄壁结构件加工方法选择，实现对薄壁结构变形量的有效控制，对于面向航空航天领域的薄壁结构件工艺选择分析有着十分重要的指导价值。因而，相关人员必须要加大研究分析力度，提高对薄壁结构件内涵特征的有效认识，加强对薄壁框状结构件数控加工变形情况的深入分析，“有限元仿真变形预测与控制”、“高精度加工装夹具优化”、“材料与工艺优化”等，切实实现对薄壁框状结构件数控加工变形的有效控制。

参考文献：

[1]郭磊．航空薄壁结构件数控加工变形控制研究[J]．现代制造技术与装备，2018，11（03）：162－163．

[2]张丽．浅谈航空薄壁结构件数控加工变形的控制[J]．工业设计，2016，09（01）：296．

[3]缪伟民．整体薄壁结构件数控加工变形控制技术进展[J]．机械制造，2018，56（03）：1－3，27．

[4]郑耀辉，吕海洋，李晓鹏，王明海，王奔．大型复杂结构件加工变形有限元快速仿真方法[J]．组合机床与自动化加工技术，2017，13（06）：5－8．

[5]廖凯，张萧笛，刘义鹏，陈辉．铝合金薄壁框架件加工变形的应力分布研究[J]．材料科学与工艺，2016，24（06）：45－50．

作者:何为 单位:四川信息职业技术学院