航空薄壁件的刀具偏摆数控补偿加工技术

warrencui

0 引言
$ P- j$ ~; I3 _9 X4 P' K航空薄壁零件主要由侧壁和腹板组成，其结构复杂、体积较大、相对刚度较低，故加工工艺性差。在切削力、装夹力、切削振颤等因素作用下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工效率问题成为薄壁零件加工的重要约束问题。目前，国内外的相关研究为薄壁件加工精度控制提供了一些理论指导。一些文献从加工工艺系统的整体刚性角度考虑，提出了充分利用零件的整体刚性加工薄壁零件的思想；有的文献从机床联动主轴数方面着手，提出了平行双主轴精度控制方案；有的文献从装夹系统方面考虑，提出了利用低融合金填充或使用真空夹具精加工薄壁零件的方法；有的文献从切削用量方面考虑，提出了变进给加工的方法；有的文献从有效补偿加工变形的思想出发，提出了薄壁零件加工变形分析及控制方案，对如何进行铣削精度控制提出了一些建议。本文继承了最后提及文献的思想，即通过试验设计，有限元分析去研究铣削过程中薄壁零件及刀具的倾斜机理；在其研究的基础上，通过实验手段，分析和验证了刀具偏摆数控补偿方案。实验结果表明，刀具偏摆数控补偿加工方案有效地控制了薄壁件的加工精度，提高了加工效率，是一种方便、高效的加工方法。

1 F3 ]4 J$ J! n; Z图1 立铣刀切削负载单元分布示意图
5 O5 c1 W; o; D! p% _( O1 刀具偏摆数控补偿方案
- K1 x! C7 U- o# N, I, ~刀具偏摆数控补偿技术，即是在有限元分析基础上，根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量。通过刀具偏摆数控补偿，可以将让刀残余材料切除，一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度，从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。其基本思想即通过建立受力模型、变形模型及数控补偿模型得到数控补偿方案，从而保证薄壁件加工精度要求。因此，切削力模型和变形模型是精确实现刀具偏摆数控补偿技术的基础，而精确的变形分析又依赖于准确的载荷模型。因此必须通过切削力实验，建立准确的铣削力模型；然后，在精确迭代分析加工变形的基础上，实施有效的刀具偏摆数控补偿加工。
切削力的计算
在实施刀具偏摆数控补偿加工之前，首先要知道零件的加工变形量，即利用有限元技术对工件进行加工变形分析；而精确的变形分析又依赖于准确的载荷模型(切削力、装夹力、定位约束等)，其中关键是切削力的计算。不同的刀具及加工方法，有不同的切削力计算方法。在航空薄壁零件的加工中，以螺旋立铣刀加工居多。而对于螺旋立铣刀的受力模型，以沿着刀具螺旋线作空间状态分布的铣削力模型为最佳(如图1)。
- }0 T: J8 t: |# T; q; [9 p在加工薄壁零件过程中，通过理论分析及实验检验，薄壁零件的加工变形主要由径向切削力引起。本文采用前述文献中的切削力模型来模拟计算铣削力大小及分布状况。由此，可得到如图2所示的瞬时径向切削力空间分布图。
( k7 k' j* l; n
! [( K( ], g+ f2 q7 I" C图2 瞬时径向切削力空间分布图
2 I& J8 i' I! e; _4 R0 l
& w( V3 G; W$ d, p$ B  ]4 }+ Y图3 刀具和工件的有限元模型

图4 工件沿刀具轴线方向各节点变形

(a)刀具不倾斜时
. z4 a' d7 _8 \7 [0 M$ T
图6 试件沿刀具轴线方向加工误差曲线
/ o# X% Q. h0 y( y/ z/ T/ H% N
(b)刀具倾斜时
图5 刀具铣削示意图
- e5 I8 U8 ]/ U' S6 B加工变形模拟分析
0 o1 F' z; w; ~8 Q" H本文选择如图3所示的薄壁结构作为研究试件。工件材料为7075-T6，杨氏模量E=77Gpa,泊松比g=0.33；刀具型号为F1832E.W.16.Z3.26.45.W
& ]0 C+ L: M7 E6 T- Z- r对于加工变形的精确计算，需要综合考虑工件和刀具在切削过程中的加工变形大小。在建模过程中，可以将工件简化为一个底端带有固定约束的直侧壁来进行分析；而将刀具简化为一个悬臂梁。加载人切削力、约束以及输人材料特性参数，并根据加工精度要求划分单元网格(如图3)。
在 ANSYS中对其模拟分析加工变形情况，理论计算结果与实际加工测量结果如图4所示。显然，理论分析计算结果与实验结果基本吻合。
. U. l; P+ [+ _' \, J9 H) C  P刀具偏摆数控补偿
通过加工变形模拟分析，得到的工件在加工过程中的变形分布状况和趋势。由于加工变形产生让刀误差，其结果必然产生一定的尺寸误差(如图5(a))。为了有效补偿这种因上件刚性不足而产生的加工变形，可以让刀具偏摆一定的角度(如图5(b))。刀具偏摆数控补偿，即是根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量。通过刀具偏摆数控补偿，可以将让刀残余材料基本切除，一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度。
8 `3 A  r' |5 c7 {- S2 加工实例与结果
1 z- U2 K! H  L% V8 }$ A为了验证刀具偏摆数控补偿方案的可行性，故安排了一定的实验工作。当由3mm壁厚加工出2mm壁厚时，根据实际加工要求和加工参数，通过理论计算，在数控编程时，将刀具倾斜0.05度。加工后，沿刀具轴线方向在薄壁上每隔2mm测量工件的壁厚(如图6)。实验研究结果表明，在刀具倾斜的情况下，零件的加工尺寸精度较高。
3 结论
% J# w# K4 y2 D8 a$ e! [从以上实验可以看出，对于薄壁零件的加工，将刀具倾斜一定角度以后，通过一次走刀，可将试件的加工精度控制在允许范围以内。对于不同的工件，可通过有限元模拟加工变形值的大小，实施刀具的连续数控偏摆补偿，则可以补偿因变形而产生的让刀误差，一次走刀即可保证薄壁件的加工精度，避免了多次空走刀和人工修整，从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。刀具偏摆数控补偿方案是一种有效的提高薄壁零件数控加工质量和加工效率的加工方法。
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