于 金，高彥梁

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

飛機(jī)大型薄壁件的特點(diǎn)是尺寸輪廓大，尺寸變化范圍大，剛度低。在銑削加工過(guò)程中極易產(chǎn)生加工變形，零件的加工精度直接影響到后續(xù)的裝配生產(chǎn)，因此控制飛機(jī)大型薄壁件的加工變形是亟待解決的工藝問(wèn)題。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，研制數(shù)字化支撐單元多點(diǎn)柔性工裝系統(tǒng)能夠有效地解決大型薄壁件在銑削加工中的變形問(wèn)題[1]。

在歐美國(guó)家，柔性工裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。在設(shè)計(jì)方面，具有代表意義的是歐洲的JAM和ADFAST項(xiàng)目；在制造方面，其中最突出的代表是西班牙的MTorres公司研發(fā)的TORRESTOOL柔性工裝系統(tǒng)和美國(guó)CAN制造系統(tǒng)公司研發(fā)的基于POGO柱單元的柔性工裝系統(tǒng)；在應(yīng)用方面，具有代表性的當(dāng)屬世界兩大飛機(jī)制造公司——波音航空航天公司和歐洲航空防務(wù)航天公司（EADS）[2-5]。

在柔性工裝系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)還只是停留在應(yīng)用研究和實(shí)驗(yàn)上，而國(guó)外已經(jīng)把其大量應(yīng)用在飛機(jī)的生產(chǎn)和新型飛機(jī)的研制過(guò)程中，差距明顯。將多支承柔性?shī)A具國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行，各大高校和研究院已經(jīng)著手對(duì)相關(guān)工裝技術(shù)的研究和試驗(yàn)。吉林大學(xué)已經(jīng)成功研制出了蒙皮展型專用多點(diǎn)支承柔性裝置，多點(diǎn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位[6]。清華大學(xué)和北京航空制造工程研究所重點(diǎn)研究柔性工裝的整體系統(tǒng)構(gòu)造和制造，經(jīng)過(guò)幾年的不斷探究，已經(jīng)突破了定位器、夾持單元、多軸控制和離線仿真等關(guān)鍵技術(shù)，即將進(jìn)入工藝試驗(yàn)階段[7]。

本文在以上的基礎(chǔ)上，利用有限元法進(jìn)一步研究在銑削加工過(guò)程中夾持邊距、夾持力對(duì)薄壁件加工變形的影響規(guī)律，并利用正交試驗(yàn)方法對(duì)不同裝夾點(diǎn)施加不同的裝夾力分析其對(duì)薄壁件加工變形的影響，為解決柔性工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

柔性工裝系統(tǒng)的工作原理及有限元模型的建立

1 柔性工裝系統(tǒng)的工作原理

圖1為多點(diǎn)柔性工裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該系統(tǒng)主要由底座、X向?qū)к?、Y向?qū)к?、Z向調(diào)整支柱、萬(wàn)向真空吸盤和真空發(fā)生器等組成，該系統(tǒng)通過(guò)真空吸盤對(duì)薄壁件進(jìn)行定位夾緊，根據(jù)實(shí)際需要布置m×n方陣陣列的支撐單元，X向?qū)к壣系膍個(gè)支撐單元沿X軸移動(dòng)，Y向?qū)к塶個(gè)動(dòng)梁(每個(gè)動(dòng)梁上有m個(gè)支撐單元)沿Y軸移動(dòng)[8]。

將結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化得到圖2所示薄壁件加工時(shí)的受力示意圖。圖中：F為銑削力；Fx為真空吸盤吸力，作用于整個(gè)吸盤范圍內(nèi)，單位面積上的吸力取決于真空度的大?。籉N為支撐反力作用于接觸點(diǎn)，沿接觸面法線方向向外；δ為薄壁件加工時(shí)的最大變形；Δ為工件厚度；d為兩個(gè)支撐單元間的距離[9]。

圖1 多點(diǎn)柔性工裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of multi-point flexible fixture system

圖2 受力示意圖Fig.2 Force sketch map

2 有限元模型的建立

本文選取飛機(jī)機(jī)身艙門零件的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，基于上述模型，利用ABAQUS對(duì)薄壁件、刀具和柔性?shī)A具的裝配模型簡(jiǎn)化并進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)加工變形分析[10]，建立3×6多點(diǎn)實(shí)體支撐模型如圖3所示，Path-X和Path-Y在工件背面,為加工變形主要測(cè)量線。零件材料選用7050-T7451鋁合金板，長(zhǎng)×寬×厚=300×150×4，需要加工兩個(gè)長(zhǎng)×寬×深=60×80×1的凹槽，材料各項(xiàng)屬性如表1所示。

表1 7050-T7451鋁合金材料屬性

圖3 裝配圖Fig.3 Assembly drawing

刀具采用螺旋角β=30°，前角γ=10°的四齒直柄立銑刀，刀具直徑d=12mm。刀具材料為硬質(zhì)合金YG8，材料屬性如表2所示，加工過(guò)程中，主軸速度設(shè)定為8000r/min，進(jìn)給量設(shè)定為0.2mm/z，背吃刀量為1mm，銑削寬度為8mm。

表2 硬質(zhì)合金YG8材料屬性

吸盤內(nèi)部支撐體選用直徑為10mm的中碳鋼，彈性模量E=2.09×105MPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=7.8g/cm3。

多點(diǎn)柔性加工變形分析

在實(shí)際加工中，尤其是薄壁零件的銑削加工過(guò)程中，夾持力和裝夾方案的不同對(duì)加工精度的影響是非常重要的，因此有必要研究夾持力和裝夾方案對(duì)航空結(jié)構(gòu)件加工變形的影響規(guī)律。

1 夾持邊距對(duì)加工變形的影響

吸盤夾具的布局采用均勻分布，考慮到銑削加工和吸盤吸附效果的問(wèn)題，選擇吸盤夾具的邊距變化范圍15mm≤d≤45mm，故選取邊距為 15mm、22.5mm、30mm、37.5mm、45mm進(jìn)行加工，得到如圖4所示的X、Y路徑的加工變形圖。

通過(guò)對(duì)加工變形的分析可知：對(duì)于該零件夾持邊距的大小對(duì)整體的變形影響不是很大，但邊距過(guò)大時(shí)工件仍會(huì)產(chǎn)生輕微的縱向正翹曲，邊距過(guò)小時(shí)工件會(huì)產(chǎn)生輕微的縱向反翹曲，合理的選擇吸盤邊距對(duì)工件的加工變形亦能得到一定的作用。該零件選擇吸盤邊距d=25mm。

2 夾持力對(duì)加工變形的影響

在銑削加工過(guò)程中，由于銑削力的作用對(duì)單個(gè)吸盤最低吸附力的要求是 ,本文選取直徑為20mm的波狀圓形吸盤，1.5圈褶，當(dāng)真空度達(dá)到-0.7bar時(shí)其理論脫離力為16.3N，側(cè)向力為23N。采用真空發(fā)生器時(shí)吸盤能達(dá)到的真空度最高為-0.88bar[11]，故本文選取吸盤真空度為 -0.5bar、-0.6bar、-0.7bar和-0.8bar進(jìn)行銑削加工，銑削加工變形的影響如圖5所示。

由數(shù)據(jù)分析可知：吸盤真空度對(duì)薄壁件的整體變形影響較大，尤其是在路徑Path-Y上。吸盤的真空度過(guò)小，不能對(duì)薄壁件有較穩(wěn)定的夾持力，切削過(guò)程中振動(dòng)較大，使工件的變形量很大，當(dāng)吸盤真空度過(guò)大時(shí)夾持力又會(huì)對(duì)薄壁件的變形產(chǎn)生影響，因此選擇合適的夾持力對(duì)薄壁件的加工變形控制至關(guān)重要。

3 多種裝夾力裝夾對(duì)加工變形的影響和優(yōu)選

由于吸盤的真空度對(duì)薄壁件的加工變形有著很大的影響，因此通過(guò)對(duì)吸盤采取不同的真空度設(shè)計(jì)三因素四水平的正交試驗(yàn)以尋求控制加工變形的方法。由于零件的對(duì)稱性，如圖 6所示，將 A1、A2、B1、B2、C1、C2六列吸盤分為3組：A（A1，A2）、B（B1、B2）、C（C1、C2），將 A、B、C作為正交試驗(yàn)的3個(gè)因素，正交表設(shè)計(jì)如表3所示，試驗(yàn)方案如表4所示，極差分析如表5所示。

對(duì)模擬所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表4中I～I(xiàn)V為各因素各水平對(duì)應(yīng)的Path-X路徑平均變形量的和，其中最小者對(duì)應(yīng)的水平即為該因素的較好水平。對(duì)某一因素各水平下變形量和的最大值和最小值的差稱為極差，用R表示，極差的大小反應(yīng)了各因素由于選取水平不同而對(duì)變形量影響的大小。

圖4 吸盤邊距對(duì)工件變形的影響Fig.4 Influence of sucker margin on workpiece deformation

圖5 吸盤真空度對(duì)加工變形的影響Fig.5 Influence of sucker vacuum degree on machining deformation

圖6 吸盤分組Fig.6 Sucker grouping

表3 正交表設(shè)計(jì)

表4 正交試驗(yàn)方案及變形結(jié)果

表5 極差分析

圖7 模擬加工過(guò)程Fig.7 Simulation process

由極差分析表可知在A、B、C 3組吸盤的真空度分別取-0.5bar、-0.8bar、-0.5bar時(shí)對(duì)其進(jìn)行切削加工能得到更小的加工變形量，在該組吸盤真空度的夾持下模擬加工過(guò)程如圖7所示，Path-X路徑上的變形圖如圖8所示，加工后得到的平均變形量為0.112mm。在控制加工變形方面吸盤真空度的取值對(duì)加工變形的影響程度C＞A＞B。由此可知在真空吸盤進(jìn)行裝夾的過(guò)程中對(duì)主要加工區(qū)域采取相對(duì)較大的真空度能夠有效的控制工件的加工變形。

圖8 Path-X路徑變形圖Fig.8 Path-X path deformation map

結(jié)論

（1）相比試驗(yàn)研究和分析，本文采用有限元仿真模擬技術(shù)節(jié)省大量的時(shí)間成本和設(shè)備成本，并能夠獲得試驗(yàn)難以測(cè)量的物理力學(xué)參數(shù)。得到在多點(diǎn)柔性工裝下的夾持邊距和夾持力對(duì)薄壁件銑削加工變形的影響規(guī)律。

（2）通過(guò)改變A、B、C 3組吸盤夾具的真空度設(shè)計(jì)三因素四水平的正交試驗(yàn)，得到最優(yōu)夾持力的組合A、B、C的真空度分別為-0.5bar、-0.8bar、-0.5bar，并在最優(yōu)組合的夾持下獲得了滿足條件的最小變形量。同時(shí)得到了三組吸盤的真空度對(duì)加工變形的影響程度：C＞A＞B。驗(yàn)證了在多點(diǎn)柔性工裝下這是一種可靠的控制加工變形的方法。

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