葉建友 呂彥明 徐 看 宋 燦

(江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

隨著航空航天領域國際化竟爭的愈加激烈，對飛行器、航天器的性能提出了更高的要求。由于薄壁件重量輕、強度高等特點，已被廣泛應用于航空航天領域。對于現(xiàn)代飛機、航天器的結構設計制造，降低飛機、火箭等的自身結構重量，就意味著提高了飛行器的機動性、增大了攜帶負載的能力和飛行距離;而且，隨著重量的降低、整體結構強度的提高，可以延長飛行器的服役壽命。但薄壁件結構形狀復雜，相對剛度較低，加工余量大，工藝性差，銑削過程受切削力的作用容易產(chǎn)生變形和振動。國內(nèi)外專家和技術人員對薄壁件在銑削過程中產(chǎn)生的變形做了大量研究。Sutherland［1］等人較早從理論上提出了考慮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。Tang［2］等人基于彈性力學小變形理論建立了薄壁件銑削加工過程中彈性讓刀變形的理論模型。Ratchev［3］通過建立切削力-變形模型，實現(xiàn)了薄壁件加工變形的精確預測，基于這個模型，經(jīng)過優(yōu)選切削參數(shù)和刀具路徑補償，實現(xiàn)薄壁件的精確加工。武凱［4］、董輝躍［5］等人分別采用有限元方法研究了高速銑削過程中薄壁腹板彈性變形規(guī)律及其控制方案。王運巧［6］等人研究了輔助支撐的個數(shù)及位置對薄壁工件銑削加工局部彈性讓刀變形的影響。

本文通過高速銑削試驗，采集了加工過程中的銑削力與薄壁件變形信號，對實驗中產(chǎn)生變形原因進行了分析，從數(shù)控補償加工、高速切削加工、毛坯初始殘余應力的消除與均勻化、適當?shù)难b夾等多方面提出相應的變形補償方法，并提出了一種以冷卻液為介質(zhì)的空化脈沖射流作為薄壁件銑削的隨動柔性輔助支撐新的加工方法，有效的解決低剛度工件加工變形的問題。

1 銑削加工變形分析

1.1 試驗條件

本試驗在德馬吉M500 加工中心上進行;工件材料為7075 鋁合金;長、寬、高尺寸為130 mm ×130 mm×60 mm，通過銑削使厚板上挖去120 mm ×120 mm×40 mm 的方形塊，留下四周壁厚5 mm，底部厚20 mm 的薄壁零件;切削參數(shù)為直徑20 mm 的機夾圓刀片立銑刀，切削速度為200 m/min，每齒進給量為0.4 mm/齒，切深為2 mm;切削力測量裝置包括測力儀、位移傳感器、電荷放大器、工控計算機及顯示器等。圖1 為切削實驗現(xiàn)場圖，圖2 為工件和測力儀有限元模型。

圖1 切削實驗現(xiàn)場圖

圖2 工件及測力儀有限元模型

1.2 薄壁件變形分析

引起薄壁件加工變形的原因很多，與毛坯的材料、工件的幾何形狀及剛度、以及加工工藝和加工設備等均有關系。經(jīng)研究分析，薄壁件加工變形的主要因素有以下幾個方面:

(1)毛坯件初始殘余應力的釋放與重分布 在銑削過程中，隨著材料的不斷去除，毛坯件內(nèi)部的殘余應力得到釋放，工件只有通過變形才能達到新的應力平衡。相關研究表明［7］:毛坯初始殘余應力的釋放和重分布是產(chǎn)生變形的重要原因之一。

(2)刀具對工件的作用 在銑削過程中，刀具與工件的接觸部分會發(fā)生彈塑性變形，并產(chǎn)生大量切削熱，從而使得工件溫度不均，因此產(chǎn)生變形。

(3)裝夾變形 由于薄壁件自身剛性差，因此在裝夾力的作用下工件會發(fā)生變形;工件由于在加工過程中彈塑性變形將影響其表面的尺寸精度和形狀、位置精度。

1.3 實驗結果分析

由實驗測得的切削力波形圖不難看出，測量值和理論值相差比較大。理論上應該是單一的周期性鋸齒波，實際上是多分量復雜波，沿進給方向還會出現(xiàn)雙向振動的波形。產(chǎn)生這些的主要原因是測力儀測得的數(shù)據(jù)是通過測力儀彈性元件變形間接得到的。切削力激勵由工件、測力儀及機床構成的系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生振動，測力儀彈性元件也發(fā)生振動。我們進一步建立了工藝系統(tǒng)模型，利用有限元分析其模態(tài)及響應，圖3 為工件及測力儀構成系統(tǒng)的三階振動模態(tài);圖4 為其頻響曲線，通過分析系統(tǒng)模態(tài)及響應，反推實際的切削力;圖5 為測量的切削力數(shù)據(jù)波形。

圖3 工件和測力儀前三階振型

圖4 工件和測力儀系統(tǒng)的頻響圖

圖5 薄壁件切削力波形

2 變形補償方法

通過對薄壁件加工變形的原因分析可知，薄壁件的變形既與切削過程有關，又與工藝系統(tǒng)有關，針對薄壁件變形的特點、產(chǎn)生原因及結合本實驗實際情況，提出相應變形補償方法。

(1)數(shù)控補償加工

在切削力的作用下，工件一方面由于和刀具接觸而發(fā)生彈塑性變形，材料不斷被切除;另一方面工件由于回彈，產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，造成薄壁件側壁上厚下薄。通過分析系統(tǒng)模態(tài)及響應，反推實際的切削力，通過ANSYS 有限元分析軟件模擬出薄壁件加工過程中變形的大小。在數(shù)控編程時讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續(xù)偏擺，補償因工件變形而產(chǎn)生的讓刀量，如圖6 所示。通過刀具偏擺數(shù)控補償，可以將讓刀殘余材料切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度。

圖6 補償原理示意圖

(2)高速切削加工

高速切削加工理論是1931 年4 月由德國的Carl Salomon 博士首先提出的，他認為:在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于不同的工件材料，存在一個切削速度范圍，在這個范圍中，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受而不能進行加工，故該速度區(qū)域被稱為死區(qū)［8］。當切削速度超過死區(qū)以后，隨著切削速度的增大切削力會減小，切削溫度也會降低。高速切削時由于主軸速度高，在相同的切削率下，每齒切削量小，切削力也比較小，工件彈性變形小。高速切削是薄壁低剛度工件加工的有效方法，在一定程度上解決低剛度薄壁工件的加工問題。

(3)毛坯初始殘余應力的消除與均勻化

毛坯初始殘余應力對工件的整體加工變形的產(chǎn)生有重要影響。工件在加工前，由于受到外力及其他因素導致工件內(nèi)部產(chǎn)生復雜應力分布，極易引起加工完后工件復雜的變形產(chǎn)生。因此，為了得到較好的工件精度，可以采取相應工藝措施來減小和均勻化毛坯的初始殘余應力。對于航空類薄壁件，現(xiàn)行最有效且經(jīng)濟地減小毛坯殘余應力的工藝措施是進行深冷處理。深冷技術可以使淬火后的金屬材料溫度在冷卻中達到遠低于室溫的溫度(-196 ℃)，從而達到消除和均勻化工件內(nèi)部的殘余應力。經(jīng)過深冷處理后一方面可以顯著減小毛坯的初始殘余應力［9］，可以使馬氏體晶格畸變減小，微觀應力減小，從而強化基體組織，并減小加工過程中的變形，提高加工精度;另一方面，毛坯中的殘余應力分布將更加均勻，降低了工件的變形潛能，提高尺寸穩(wěn)定性，使硬度、抗沖擊韌性和耐磨性都顯著提高。

(4)適當?shù)难b夾

工件在裝夾過程中由于夾緊力的作用會伴隨一定的變形，影響工件加工的質(zhì)量。由于相變材料的柔性夾具夾緊體可以自由布置，為工件夾緊力的優(yōu)化提供了條件，如加工圖7 所示工件的表面。如用通用精密虎鉗裝夾，只能在一個方向夾緊，平行于鉗口方向的限制是靠虎鉗與工件的摩擦力，為保證工件裝夾穩(wěn)定，需有足夠大的摩擦力，則必需加大夾緊力，實際上夾緊力是實際使用需要的近10 倍，使工件變形。利用相變材料的柔性夾具就可以通過多布置夾緊體，使夾緊力更有效，減少最大夾緊力，減小工件的變形，如圖8 所示。

圖7 平口鉗裝夾示意圖

圖8 柔性夾具裝夾示意圖

3 薄壁件銑削新方法

目前，關于解決薄壁件彈性變形問題，主要通過對薄壁件加工系統(tǒng)彈性變形模型分析，補償?shù)毒咦叩堵窂?，從而實現(xiàn)薄壁件高質(zhì)量加工，在某些具體應用中可以取得比較理想的效果。但切削工藝系統(tǒng)復雜，工件結構千變?nèi)f化，建模比較復雜，往往需要用有限元分析，對每個刀位點都進行計算修正，再加上刀具和工件變形互耦時的反復迭代，不僅要考慮刀具、工件變形對切削量的反饋影響，而且還考慮材料去除引起的工件剛度變化對各種變形的影響等耦合效應，分析計算工作量巨大;加之刀具路徑補償，由于變形復雜，往往不單是位置變化就能實現(xiàn)完全補償，刀具姿態(tài)也要發(fā)生變化，由原來三軸加工變成五軸加工，編程復雜化;可能出現(xiàn)補償路徑突跳不光順，實際加工質(zhì)量變差等問題，較難推廣到一般的應用。國內(nèi)外專家在不斷嘗試研究薄壁件切削的新方法。江南大學呂彥明教授團隊提出了應用冷卻液為介質(zhì)的空化脈沖射流作為薄壁件銑削的隨動柔性輔助支撐的加工方法，提高系統(tǒng)剛性，減小工件彈性變形、減小和抑制工藝系統(tǒng)振動。現(xiàn)有薄壁件的支撐技術，主要是加注低熔點合金、石蠟等［10-11］。對于網(wǎng)格狀筋板類工件加工，效果毋庸置疑。但是需要增加中間工序，加注支撐材料、回收支撐材料和清理支撐材料，比較費時。關鍵是只有個別類型低剛度工件能使用這種方法，對于形狀復雜的薄壁件很難運用這種方法。目前，射流技術已經(jīng)非常成熟，該技術已廣泛應用于石油鉆井、煤礦采煤、工業(yè)切割等領域，以如何有效地破壞加工對象為主要研究目標，產(chǎn)生的沖蝕壓力和破壞作用越大越好。用作輔助支撐的空化脈沖射流產(chǎn)生一個和切削力波形相位差180°的沖擊波形。由此提高工件的工藝剛性，減小工件變形和抑制工藝系統(tǒng)振動。相比機械支撐，射流支撐具有下列優(yōu)點:

(1)脈沖射流作用的有效距離長，在8～14 倍噴口直徑范圍內(nèi)，即在這個范圍內(nèi)沖擊壓力保持不變，不會將支撐部位的誤差映射到工件上，方便安裝布置，可以布置到主軸上，避免和刀具及工件的干涉;隨動控制簡單，超出噴距才需要調(diào)整距離，對不同工序只需控制噴距、壓力、脈沖頻率、噴射角度。

(2)控制射流沖擊力抵消切削力可以減小工件的變形。

(3)控制射流脈沖頻率可以利用有源降噪的原理抑制工藝系統(tǒng)的振動。

(4)作為沖擊射流的切削液本身具有冷卻、潤滑和清洗作用。

(5)射流沖擊可以類似噴丸作用消除工件應力。

目前國內(nèi)外尚未有針對射流作為輔助支撐的研究，研究人員設計的葉片類工件銑削脈沖射流輔助支撐實驗裝置如圖9 所示，主要由射流發(fā)生裝置、位移傳感器、切削力測量裝置及夾具裝置等組成。通過相關基礎理論分析和初步試驗證實了該方法的可行性和實用性，在銑削過程中可提高工件的工藝剛性，減小工件變形，減小和抑制工藝系統(tǒng)的振動，有效地解決低剛度工件的高效高精度加工的瓶頸問題。

圖9 葉片類工件銑削脈沖射流輔助支撐示意圖

4 結語

薄壁件已被廣泛應用于航空航天領域，由于薄壁件結構形狀復雜，相對剛度較低，加工余量大，工藝性差，容易產(chǎn)生切削變形被認為是機械加工中的難題。本文針對薄壁件銑削過程中產(chǎn)生變形進行了分析;對當前應用于減小和抑制薄壁件變形的措施等進行了系統(tǒng)的歸納和介紹;同時提出了一種新的加工方法，該方法以冷卻液為介質(zhì)的空化脈沖射流作為薄壁件銑削的隨動柔性輔助支撐，可以減小和抑制低剛度工件變形和振動，有效地解決低剛度工件的效率低質(zhì)量難以保證的難題。

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