薄壁结构件数控加工变形分析

【摘要】数控加工中影响工件变形的因素很多，目前国内外的研究多采用数值模拟技术分析加工的不同侧面。相对已经比较成熟的数控加工几何仿真系统，涉及力学模型的物理仿真系统还只有初步概念。通过航空弧形结构件和长梁两种典型易变形的零件为例，分析加工变形情况及其影响因素，针对其中三个方面：切削力、装夹布局和残余应力的加工变形情况，提出相应的解决方案。

【关键词】数控加工；变形；残余应力；优化

在某型号飞机制造工程中，为满足高性能的气动效率和结构强度（刚度）等要求，充分利用飞机结构内部空间，采用了大量的大型整体结构件，如整体壁板、大梁、隔框和翼肋等。由于这些零件具有面积大和结构与壁厚变化复杂等特点，目前都采用数控铣削加工，但在加工过程中，由于零件刚度差等多种原因，容易产生变形，加工零件的精度得不到保证。目前采用的方法是切削、工艺补偿和手工校形，生产效率低，质量难以保证，使得数控加工的效率难以发挥。为此，对数控加工零件进行数值模拟技术的研究与应用，将计算机辅助工程技术应用于数控加工零件的设计以及工艺的优化，已经成为当前国内航空制造领域内提高数控加工水平所亟待解决的问题。

1 研究目的和手段

根据对典型零件加工的数字建模仿真分析结果，并将结果与实际加工情况比较，同时总结企业长期的NC加工经验，对可能会引起零件数控加工变形的工艺参数、工艺路线、工艺方法、刀具参数、装夹定位、零件材料状况进行归纳和总结，找出一定的规律，总结变形机理，研究加工变形的预测算法和控制变形的技术措施，改进传统加工中依赖于经验、定性分析和保守的工艺方案，采用优化工艺方案，降低材料消耗，有效减少实际加工试验次数，减少工艺质量成本，充分发挥数控设备的先进性。

2 加工过程分析

结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等，可以考虑静态载荷下结构的线性和非线，也可以对结构作瞬态动力学分析，确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。弧形件的径向刚度很差，长梁结构件壁薄，平面刚度差，加工时在切削力、夹紧力和材料内应力的共同作用下极易产生变形，从材料力学中的变形理论得知，材料受外力作用产生变形，当受力形成的应力超过材料的屈服强度时，则形成塑性变形。环形件径向变形为椭圆，长梁发生翘曲。根据数控加工过程及切削参数选择，分析零件受到的切削力；装夹约束：根据所选择的夹具及装夹位置，分析零件受到的夹紧力。采用上述步骤计算加工变形的流程。虚线框内为需要知道的加工条件，也是改进变形情况可以调整的参数，具体分析针对影响变形的三个方面进行，包括如下三个部分。

（1）计算采用不同的切削速度、切削量、进给量下的残余应力及变形情况，从中得到各切削参数对变形的影响，以选择优化切削参数，在达到加工精度的前提下尽量提高加工效率。

（2）装夹方案改进：压板的数目、位置和夹紧力的大小、定位元件的位置、结构等，任意因素变化会引起有限元分析模型约束的变化，从而引起零件变形的变化。根据计算结果提出相应的改进措施，如改变压板数目、位置、弧形件定位孔的位置、数目、夹紧力大小等。

（3）根据零件加工前材料的热处理及弯曲工艺，估计零件内的初始残余应力分布情况，模拟切削加工去除材料对残余应力分布的改变情况及引起的变形。

3 分析结果及相应的加工变形控制措施

3.1加工中的变形

加工零件在切削过程中在切削力、装夹力等的共同作用下产生变形，这一变形基本为弹性变形，即卸载后恢复。但加工中的零件变形使刀具按照预定的轨迹切削时的实际切削量和切削位置发生偏移，导致零件表面过切或超差、变形等问题。尤其在薄壁零件的精加工中，切削力引起的接触弹性变形造成很大的加工误差。减少加工中变形的主要选择如下。

（1）数控加工切削参数优化。在目前的数控加工中，切削参数的选择仍然严重困扰数控零件加工，由于切削参数的选择不当导致切削力过大，刀具磨损严重，零件表面残余应力增加，加工质量下降等都会增加加工成本，降低数控加工的效率，因此数控加工切削参数的合理和优化选择是非常重要的，目前关于切削参数优化已经提出了多种算法，其中基于生物进化理论的基因算法，可用于多参数，多约束条件和多目标的优化，可进行全局的探索优化，用基因算法优化切削参数的有效性已在多个报告的实例中得到验证。

（2）改进和优化零件的装夹方案，增加工艺系统的刚性，这一方向是本文进一步的研究内容。

（3）采取数控补偿措施。根据仿真加工得到的零件的加工变形情况，设计数控补偿程序，让刀具在原有的轨迹中考虑零件变形程度附加一个偏移量，对加工变形进行数控补偿，以达到加工精度要求。

3.2加工完成后的残余变形

零件加工完毕卸载，在夹具夹紧下尺寸合格的零件在自由状态下产生回弹，变形往往超差，目前解决这一变形问题有四种解决方案。

（1）对于无纤维流向要求的零件，改为预拉伸板材加工。由于板材内部残余应力较小，切削加工引起的残余应力失衡不会引起明显变形。目前数控加工的弧形件中已经有采取这种方案的零件，但增加了材料和加工成本，并降低了零件的强度要求。

（2）增加零件的刚度。例如弧形件增加横杆支撑，这样保证加工中不变形，就可以将原来转到常规加工的工序再回到数控加工，提高数控加工的效率。但这样处理将直至装配才可将横杆取下，带应力装配需要对零件的应力状态和装配要求有清楚的了解。可利用本文提出的残余应力预测方法对残余应力做出定性和定量的预测。

（3）从去除零件内残余应力入手。在零件上开槽释放应力；增加加工前和加工中的热处理工序，提高人工时效去除内应力的效果；采用冷压变形处理减少内应力。视零件设计和加工要求与条件而定。

参考文献：

[1]郑联语，汪叔淳.薄壁零件数控加工工艺质量改进方法.航空学报，2001（9）

[2]王运巧，梅中义，范玉青.航空薄壁结构件数控加工变形控制研究.数控加工技术，2005（1）