薄壁葉片精密數(shù)控加工變形分析與控制技術(shù)

1、 摘 要在航空航天工業(yè)中，數(shù)控銑削是薄壁零件加工的一種典型加工工藝，其中尤以高速銑削應(yīng)用最為廣泛。然而，由于這些結(jié)構(gòu)件的薄壁地剛度特征，實際加工過程中工件和道具變形引起的加工誤差嚴(yán)重影響著工件的加工精度及表面質(zhì)量，甚至造成零件的保費。因而，研究薄壁銑削過程加工變形的預(yù)測及控制，對實現(xiàn)制造也中的加工工藝方案和加工參數(shù)的合理選取優(yōu)化既有重要意義。為此，本文以薄壁件側(cè)銑加工過程為研究對象綜合運用怯薛基本原理、有限元數(shù)值模擬技術(shù)以及數(shù)控加工技術(shù)，對加工變形預(yù)測方法和補償策略進行研究，具體工作包括：(1) 薄壁葉片的UG建模，和從UG 導(dǎo)入ANSYS軟件。(2) 建立劉文螺旋立銑刀銑削加工的力學(xué)模型。在

2、分析銑削加工特點的基礎(chǔ)上，建立了銑削力系數(shù)與切削用量的多項式模型，并用四因素回歸正交實驗法確定了模型常量。最后，用過實驗驗證了該力學(xué)模型的正確性。(3) 針對航空葉片側(cè)銑加工變形進行了有限元數(shù)值模擬分析，提出了變形補償策略。在分析葉片曲面曲面特征的基礎(chǔ)上，運用坐標(biāo)變換實現(xiàn)銑削力的計算及有限元模型的加載，得到了被加工表面的形狀誤差數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，有提出了利用變形模擬值修正刀軸適量補償葉片加工變形的刀軌優(yōu)化策略。綜上，本文的研究為解決薄壁件側(cè)銑加工的變形問題提供了有效的誤差補償方法，為提高加工質(zhì)量、降低成本、提高機床的利用率提供了有效的途徑，同時為后續(xù)深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：UG建模；薄

3、壁葉輪；有限元分析；誤差補償ABSTRACT In the aerospace industry, CNC milling is thin a typical parts machining processing technology, especially the most widely used high speed milling. However, due to the characteristics of thin-walled structure to stiffness, the actual process of workpiece and props processing e

4、rror caused by deformation of the serious influence workpiece machining precision and surface quality, even cause components of the premium. Therefore, study machining deformation of thin-walled milling process to realize forecast and control, the manufacturing process scheme and processing paramete

5、rs optimized rational selection of both the important meaning. Therefore, this article takes the thin-walled package flank milling process for research object comprehensive use of timid uzziel basic principle, the finite element numerical simulation technology and nc machining technology, machining

6、deformation prediction method of study, compensatory strategies and concrete work include:Thin blade, and the UG modeling from UG import ANSYS software.Establish liu wen mill cutter milling spiral mechanical model. On the analysis of milling characteristics is established, on the basis of milling fo

7、rce coefficients of polynomial model with cutting dosages, with four factors regression orthogonal experimental method is used to determine the model constants. Finally, used experimental results verify the correctness of the mechanical model.On airline blade lateral milling machining deformation fi

8、nite element numerical simulation are analyzed, and the deformation compensation strategy. On the analysis of the characteristics of leaf surface based on the surface, using the coordinate transform realize milling force calculation and finite element model of loading, got processed surface shape er

9、ror data. On this basis, have proposed to use deformation simulation value fixed cutter axis machining deformation of adequate compensation blade knife rail optimization strategy.In conclusion, this research to solve the thin-wall pieces lateral milling machining deformation problems to provide effe

10、ctive error compensation methods, to improve machining quality, reduce cost, increase the utilization rate of machine tool provides an effective way for the follow-up thorough research, and laid a theoretical basis.Keywords: UG modeling; Thin-wall impeller; The finite element analysis; Error compens

11、ation.第一章 緒論1.1 論文研究的背景及意義 制造業(yè)是一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，是高科技賴以產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)。它涉及到材料，力學(xué)，機械制造等多個學(xué)科，是高新技術(shù)最密集的領(lǐng)域之一。制造業(yè)水平往往能夠從一個側(cè)面反映一個國家或地區(qū)的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)化水平的高低。隨著航空航天領(lǐng)域日趨激烈的國際化競爭，對產(chǎn)品的性能也提出了更高的要求。就現(xiàn)代飛機，航天器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，制造來說，為了減輕產(chǎn)品的重量，提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度，進一步提升產(chǎn)品的性能，廣泛使用薄壁零件，如發(fā)動機的渦輪葉片。 葉片是機械制造業(yè)中最典型的零件之一, 在航空、汽車、船舶等領(lǐng)域都有廣泛的使用, 如蒸汽輪機、水輪機、航空發(fā)動機里的渦輪壓氣機等。葉片

12、類零件多屬于復(fù)雜薄壁零件, 種類繁多, 而且大部分葉片型面是由幾何精度要求較高的自由曲面組成。因此, 葉片加工現(xiàn)在廣泛使用現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)。 葉片結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜外形協(xié)調(diào)要求較高，零件外廓尺寸相對截面尺寸較大、加工余量大、相對剛度較低，精度要求高，目前普遍采用數(shù)控銑削的方式來進行加工。然而，在銑削加工過程中，由于這些構(gòu)件的低剛度特征，切削力、切削應(yīng)力以及切削熱作用所引起的零件彈性變形是不可避免的，使得實際切削參數(shù)不等于名義值，最終降低加工精度及表面質(zhì)量，嚴(yán)重情況下造成零件報廢。薄壁件的變形問題，美、法、德、日、英等制造強國都非常重視。美國的波音公司依托密西根大學(xué)等若干所著名大學(xué)，在政府和軍工企業(yè)集

13、團的共同支持下，正在共同研究和開發(fā)能夠有效抑制整體薄壁零件數(shù)控加工變形的工藝路線優(yōu)化理論和有限元模擬軟件。在西方發(fā)達(dá)國家，針對薄壁件的結(jié)構(gòu)特點，采用有限元技術(shù)，通過變形分析獲得薄壁結(jié)構(gòu)件變形模式，再利用誤差補償技術(shù)進行適當(dāng)補償，可以保證薄壁結(jié)構(gòu)零件高精度加工要求，或通過高速銑削技術(shù)解決薄壁件加工變形問題，而且提高了加工生產(chǎn)率。而在國內(nèi)，由于缺少理論的計算和相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，對薄壁零件的研究尚處于起步階段，尤其是對薄壁零件變形預(yù)測和控制的研究還大大的落后于國外。通過薄壁零件的結(jié)構(gòu)特征可知，切削力及切削應(yīng)力是導(dǎo)致薄壁零件加工誤差的主要因素。因而為了保證加工誤差滿足制造精度的要求，除了要對工件的尺寸、

14、形狀進行綜合考慮外，更重要的是要對加工過程進行定量的研究分析，正確合理地進行加工工藝設(shè)計和選擇加工工藝參數(shù)。航空發(fā)動機葉片在數(shù)控加工后絕大部分存在不同程度或彎或扭或彎扭組合的變形，其變形產(chǎn)生的機理目前仍未完全掌握，變形抑制、變形消除的理論和實驗研究等方面仍有許多工作亟待進行。目前對待變形零件的校正手段主要停留在憑經(jīng)驗錘擊敲打的“野蠻校形”水平。這種狀態(tài)根本無法滿足產(chǎn)品批量生產(chǎn)的要求；而且對于變形較大零件，無法校正或校正破壞零件的現(xiàn)象時有發(fā)生。因而如果對薄壁零件的變形規(guī)律認(rèn)識不清，就不能有效地控制其加工精度?？梢?，加工變形的預(yù)測和控制成了薄壁結(jié)構(gòu)零件加工的關(guān)鍵。由于葉片是一種典型的薄壁零件。因此

15、，本文以鈦合金葉片銑削加工變形作為主要研究對象，借助UG建模、有限元分析等手段進行研究與探討。開展該方面的前瞻性應(yīng)用基礎(chǔ)研究，對工藝設(shè)計和切削參數(shù)選擇具有一定指導(dǎo)意義。不僅能夠保證葉片的精度、提高加工質(zhì)量及提升加工效率。具有理論和實踐指導(dǎo)的雙重意義。葉片結(jié)構(gòu)如圖1.11.2 研究現(xiàn)狀綜述切削力是切削加工中的一個非常重要的物理現(xiàn)象，是影響切削加工過程的重要因素之一。同時，它是薄壁零件加工變形、表面誤差以及誤差補償?shù)确矫嫜芯康幕A(chǔ)，許多科學(xué)家利用多種手段研究了切削力的產(chǎn)生以及切削力的預(yù)報。隨著計算機的出現(xiàn)，人們開始嘗試?yán)糜嬎銠C來獲得薄壁零件的加工變形規(guī)律，即有限元法。在有限元分析模型中，將銑削力

16、作為動態(tài)邊界載荷，以一定的方式加載在零件的物理模型上，通過數(shù)值計算的方法獲得研究對象的變形量。通過獲得的數(shù)據(jù)，再利用誤差補償技術(shù)進行適當(dāng)補償以優(yōu)化刀軌，能有效地保證零件的加工質(zhì)量，提高加工效率，大大減少了實驗工作量。 下面就切削力模型、加工變形的預(yù)測、誤差控制以及刀軌優(yōu)化相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀進行扼要敘述。1.2.1 切削力研究對切削力的精確建模是預(yù)報切削力、顫振、表面質(zhì)量以及加工過程穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。但由于切削過程的復(fù)雜性，至今還未建立與實驗結(jié)果足夠吻合的理論公式，在生產(chǎn)實踐中常采用由試驗得出的經(jīng)驗公式。經(jīng)驗公式法以大量試驗為依據(jù)，且受到實驗條件和特定加工的限制，沒有太大的外推價值。因此，如何建立準(zhǔn)

17、確、有效的切削力模型顯得尤為重要。在切削力的建模方面，國內(nèi)外學(xué)者都進行了廣泛的研究，大致包括以下幾種。1.2.1.1 解析法解析法基于 20 世紀(jì) 40 年代 Merchant發(fā)表的剪切面理論，應(yīng)用剪切滑移理論，重點研究切削過程中的切削力及切削振動等相關(guān)問題。解析法對切削過程中出現(xiàn)的力學(xué)機理進行了模擬，由于受高應(yīng)變率、高溫度梯度、彈塑性變形等復(fù)雜力學(xué)現(xiàn)象的影響，解析法不能準(zhǔn)確描述出切削過程中前、后刀面上的力學(xué)關(guān)系。但隨著切屑變形的塑性理論力學(xué)和位錯理論的發(fā)展，使切屑變形的宏觀幾何規(guī)律和微觀變形機理的研究推進了一大步。 對于切削力的研究，離不開兩個基本的理論：最小能量理論和滑移線場理論，其他許多

18、研究都以此為基礎(chǔ)。最小能量理論是 Merchant提出的，即金屬切削時剪切平面位于剪切能量最小的位置，應(yīng)用這一學(xué)說，建立了一個用以確定剪切角的數(shù)學(xué)模型。1951 年，Lee 和 Shaffer在被加工材料是理想塑性材料的假設(shè)下，采用滑移線場理論對切削過程進行了分析研究，建立了滑移線切削理論。Oxley應(yīng)用平面應(yīng)變塑性理論，提出了主剪切面的滑移線場理論，考慮了 Merchant 模型所忽略的應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度對流動應(yīng)力的影響。 按照切削方式的不同，切削加工可分為自由切削和非自由切削，以及正交切削和斜角切削，其中正交切削是最簡單的切削模型。因此，很多研究都是以正交切削為切入點，來尋找切削過程的變

19、形基本規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，切削模型的解析精度不斷提高，模型計算結(jié)果逐步與實際切削過程相接近，許多研究人員開始著重研究斜角切削方式。1.2.1.2 經(jīng)驗法 經(jīng)驗方法的特點是把切削加工中不易模型化的影響因素用系數(shù)和指數(shù)的形式來表征，如刀具前角的影響、刀具和工件材料的影響等，并且通過切削試驗由測力儀測得切削力后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)方法進行處理，建立回歸方程，即可得到這些系數(shù)和指數(shù)。一般來說，模型中的系數(shù)和指數(shù)越多，要求的試驗量就越大，模型也就越準(zhǔn)確，應(yīng)用的范圍就越小。要獲得準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，往往需要進行大量的試驗來支持。1.2.1.3 力學(xué)法力學(xué)建模方法是以切削過程的力學(xué)研究為基礎(chǔ)，考慮到切削

20、過程是涉及多輸入多輸出的綜合系統(tǒng)，建立用于多種切削條件的綜合切削模型，以揭示切削過程，預(yù)測有效輸出參數(shù)和表達(dá)系統(tǒng)輸入輸出間的關(guān)系。力學(xué)法綜合運用解析法和實驗驗證，使用經(jīng)驗切削力數(shù)據(jù)而避免出現(xiàn)剪切角、動態(tài)應(yīng)力、摩擦角等復(fù)雜參數(shù)。一方面可以揭示切削過程中各參數(shù)的變形規(guī)律，另一方面不需要大量的實驗來確定實驗參數(shù)，目前已成為研究動態(tài)切削的有效手段。 Koenigsberger 等人于 20 世紀(jì) 60 年代提出了加工過程中的切削力分量可表達(dá)為切削力系數(shù)與切屑載荷乘積的形式，對于每一個切削力分量，前刀面上切屑形成的剪切效應(yīng)以及刀刃、后刀面上的摩擦、擠壓效應(yīng)是用切削力系數(shù)給予表達(dá)的，其中切屑載荷為瞬時未變

21、形切屑厚度與切削寬度的乘積。后來的很多研究都是圍繞這一理論基礎(chǔ)開展的。Kline 等、Sutherland 等和 Tsai 等均假定切削力系數(shù)為常數(shù)；而在另外一些學(xué)者的研究中，切削力系數(shù)被假設(shè)為與瞬時未變形切屑厚度有關(guān)的指數(shù)函數(shù)，為了計算方便切削力系數(shù)常被簡化為平均切屑厚度的指數(shù)函數(shù)。為提高預(yù)測精度，武凱等將切削力系數(shù)表達(dá)為單齒進給量、徑向切削深度和軸向切削深度的二次多項式函數(shù)。此外，還有一些研究者定義切削力系數(shù)為工件硬度和進給量的函數(shù)，或是切屑厚度、切削速度和刀具前角的函數(shù)。 然而以上模型未考慮刀刃的擠壓和后刀面的摩擦即邊緣效用。于是許多學(xué)者對模型進行了改進，將切削力系數(shù)分解為剪切效用系數(shù)和

22、邊緣效應(yīng)系數(shù)兩部分。Albrecht是較早提出這種思想的學(xué)者之一。基于該思想，Endres 等建立了切屑厚度可變的切削力模型。切削力系數(shù)可以直接使用試驗測得的切削力進行標(biāo)定得到，還可以利用基于切削機理推導(dǎo)出的公式并使用正交試驗數(shù)據(jù)進行確定。針對平頭立銑刀，Budak 等詳細(xì)介紹了分別從試驗所測切削力以及從正交切削試驗數(shù)據(jù)兩種不同角度來確定切削力系數(shù)的方法。Gradisek 等則基于實測切削力數(shù)據(jù)建立了任意立銑刀銑削過程中切削力系數(shù)的通用表達(dá)式，該方法適用于任意徑向切削深度的切削試驗。 近年來，隨著計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，國外一些學(xué)者利用有限元軟件建立了切削力分析計算模型，這些模型在一定程度上為新

23、設(shè)備、新工藝試運行提供了可預(yù)測的切削力量級，具有很高的參考價值。同時，還有些學(xué)者將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高科技手段引入切削力研究領(lǐng)域并取得了一定的科研成果，從而對切削力的深入研究起到了重要推動作用。1.2.2 薄壁件加工變形的有限元分析 在薄壁件的銑削加工過程中，由于低剛度所造成的變形是一個關(guān)系到最終加工質(zhì)量和精度的舉足輕重問題。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，特別是一些商業(yè)化有限元軟件的開發(fā)，以及試驗手段的不斷改進，對薄壁件的變形問題已經(jīng)能夠進行定量分析?，F(xiàn)有的研究文獻大致分為兩個方面：僅考慮工件變形的模型和加工中同時考慮工件與刀具變形的模型。1.2.2.1 僅考慮工件變形的模型 這種模型認(rèn)為刀具剛度遠(yuǎn)

24、大于工件剛度，因而將工件變形列為表面誤差的主要因素。王志剛等在假設(shè)刀具為剛體且忽略變形反饋影響的情況下，運用有限元軟件分析了航空薄壁口框零件銑削的加工變形。同時，該模型中施加的銑削力是根據(jù)經(jīng)驗公式估算的切削力平均值，不能反映銑削加工中銑削力周期性波動的特點以及銑削力沿刀刃方向的分布規(guī)律，對變形量的預(yù)測精度有一定影響。Ratchev 等則應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和有限元分析方法，建立了薄壁件銑削過程中加工變形和表面誤差的柔性預(yù)測模型。之后，Ratchev 等通過采用有限元分析方法，建立了考慮切入、切出角變化的工件變形和表面誤差的柔性預(yù)測模型。1.2.2.2 刀具變形和工件變形同時考慮的模型 Kline

25、等較早研究了三邊夾緊固定，一邊自由邊界條件的矩形薄壁板的銑削變形模型。該模型的特點在于同時考慮刀具和工件變形，且因工件夾持剛度較大，忽略了刀具和工件變形的耦合效用。為尋找刀具和工件變形的耦合關(guān)系，Sutherland 等從理論上提出考慮了刀具變形和工件變形的瞬時未變形切屑厚度和表面誤差的計算方法。Budak 等證實在靜態(tài)銑削過程中，瞬時未變形切屑厚度收斂于名義值。因而文獻在研究同時考慮刀具變形和工件變形的耦合模型時僅考慮對徑向切削深度的修正，而不考慮對瞬時未變形切屑厚度的修正，通過使用迭代算法分析刀具和工件變形的耦合效應(yīng)以及加工過程中的材料去除效應(yīng)。Budak 等使用了軸向等長的等效圓柱懸臂梁

26、單元建立刀具模型，Tsai 等則提出使用軸向等長的預(yù)扭梁單元。然而，該建模方法必須要求刀具單元與工件單元相對應(yīng)，以保證在算法上刀具單元上的切削力向工件單元上的等效加載，這種方法極大地限制了其在處理復(fù)雜零件如帶孔圓弧面零件中的應(yīng)用。于是，萬敏等在此基礎(chǔ)上，提出了一種采用非規(guī)則有限元網(wǎng)格對結(jié)構(gòu)進行離散的方法，為復(fù)雜零件的網(wǎng)格劃分提供了一種通用方法。此外，張智海等使用銑削力/銑削扭矩和瞬時未變形切屑厚度的關(guān)系，建立了端銑情況下工件表面誤差的預(yù)報模型。該模型考慮了刀具變形、工件變形以及機床變形等因素，但沒有考慮刀具變形與工件變形的耦合效應(yīng)。在薄壁件加工變形的有限元分析中，另外一個活躍的研究領(lǐng)域是加工過

27、程材料去除模型的研究。Sagherian 等研究了一種動態(tài)切削模型，用自動網(wǎng)格劃分技術(shù)來達(dá)到模擬材料去除的效果。Ratchev 等建立了 Voxel 切削算法模擬材料切除。郭魂等則采用有限元軟件自帶的生死單元技術(shù)實現(xiàn)材料的去除。1.2.3 加工變形的控制研究 工藝優(yōu)化和誤差補償是控制變形誤差的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，眾多學(xué)者采用不同的技術(shù)和方法對這一問題進行了大量的研究和探索。日本的巖部育洋采用雙軸機床分別從零件兩側(cè)同時加工，從而抵消薄壁的變形。Kline 等采用控制切削力的思想，研究了圓弧走刀過程中單齒進給量的控制方法。Budak 等人也從控制最大變形誤差的角度研究了單齒進給量的控制方法。Law 等研究

28、了基于刀桿變形的腔槽加工過程的誤差補償方法，但該模型沒考慮工件變形，不適合薄壁件加工中的應(yīng)用。Cho 等在試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上研究了簡單零件的誤差補償方法，同樣不適合復(fù)雜零件的補償。Raksiri 等用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來對變形進行補償。Wang 等用遞歸方法來修正刀具路徑。Lee 等用試驗手段來修正刀具軌跡。Ratchev 等在考慮預(yù)測加工變形的基礎(chǔ)上，通過修正單方向刀具路徑來補償加工變形，并且結(jié)合有限元分析的低剛度零件進行多步切削模擬的方法和集成體系結(jié)構(gòu)，同時開發(fā)出薄壁零件多步切削加工模擬環(huán)境的軟件原型。針對薄壁零件的高速加工研究作為減少薄壁件變形又一方法，Smith 等采用高速銑削來控制鋁合金零件的加工變形。 國內(nèi)針對這一問題的研究相對較晚，主要集中在浙江大學(xué)和南京航空航天大學(xué)以及北京航空航天大學(xué)。中國物理工程研究院孔金星針對薄壁零件的精密加工，提出了優(yōu)化工件結(jié)構(gòu)、改進工裝、采用高速切削等方式定性控制變形的方法。鄭聯(lián)語等研究了改進薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量的進給量局部優(yōu)化方法，定性地提出修改切削參數(shù)、確定關(guān)鍵區(qū)域等優(yōu)化手段。劉艷明等基于 K-L 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，建立了機械加工中切削用量的一種優(yōu)化模型，進行刀具路徑的規(guī)劃。武凱等在分析了立銑的空間力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件模擬了航空薄壁件的加工變形規(guī)律，并給出了優(yōu)化的切削參數(shù)。王志剛等提出一種誤差補償方法來減少讓刀誤差，從而控制薄