王 剛，童 剛，毛金城，李文龍

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

航空薄壁件原位檢測與補(bǔ)償加工方法研究

王 剛，童 剛，毛金城，李文龍

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

航空結(jié)構(gòu)件、航空葉片等薄壁零件是航空制造的關(guān)鍵零件，具有若剛性、材料難加工、工藝優(yōu)化不足等特點(diǎn)，其加工精度難以控制。針對航空薄壁零件的在機(jī)測量與誤差補(bǔ)償方法展開研究，針對規(guī)則航空薄壁零件提出均值誤差補(bǔ)償方法，并在此方法的基礎(chǔ)上延伸為針對自由曲面的分段誤差補(bǔ)償方法，最后對航空葉片進(jìn)行了數(shù)控加工、原位檢測及補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償前后誤差區(qū)間從0.15 mm～0.35 mm縮小到了-0.04 mm～0.06 mm，驗(yàn)證了分段誤差補(bǔ)償方法在加工幾何偏差控制上的效果。

航空；薄壁零件；在機(jī)測量；補(bǔ)償加工

航空薄壁零件廣泛應(yīng)用于飛行器的各個部件中，其精密加工技術(shù)是提高航空產(chǎn)品加工精度和效率的關(guān)鍵。這類零件加工過程中精度難以控制，主要體現(xiàn)在：（1）具有弱剛性，一般為懸臂結(jié)構(gòu)，壁厚很薄，加工中易引起彈性變形，導(dǎo)致航空薄壁件加工偏差難以控制；（2）材料難加工，該類零件通常采用鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋁合金等難加工材料，鈦加工過程中活性高易產(chǎn)生硬脆氧化層加劇刀具磨損；（3）工藝優(yōu)化不足。加工效率較低，對鈦合金、超硬鋁、高溫合金等難加工材料的加工，由于缺乏先進(jìn)加工工藝的指導(dǎo)，目前使用的加工方法普遍比較保守，提高了加工的時(shí)間成本。針對以上問題，如何預(yù)測和抑制零件加工變形，并對工件變形進(jìn)行補(bǔ)償一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

切削變形是加工過程中的不可避免的難題，在變形機(jī)理上，Nachbagauer提出利用數(shù)值模擬的思想，建立切削力的理論模型，工件在切削力的作用下，產(chǎn)生彈性變形，使得刀具無法切削到理論的位置，借助有限元軟件實(shí)現(xiàn)對彈性變形的模擬[1]。Hlandt通過對材料的性能進(jìn)行深度分析，并通過大量試驗(yàn)，分析不同材料的工件在加工過程中的變形趨勢[2]。金超認(rèn)為工件在切削熱的影響下會產(chǎn)生塑性變形，并在試驗(yàn)中安裝熱傳感器，建立切削熱-變形的模型[3]。學(xué)術(shù)界對變形的機(jī)理研究各有特點(diǎn)和側(cè)重，但主要的還是集中在對“力—變形”這一系統(tǒng)進(jìn)行研究[4-6]。加工過程中出現(xiàn)的種種因素都將對薄壁零件最終的加工質(zhì)量造成影響，同時(shí)各因素相互耦合，簡單的提取一兩項(xiàng)因素進(jìn)行深度分析都將面臨巨大的工作量。為了提高薄壁零件的加工精度，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對工藝系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化，干預(yù)變形過程。西北工業(yè)大學(xué)的王婧超等通過對模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理的結(jié)構(gòu)能夠抵御一部分刀具的作用力，在不增加零件的厚度條件下提升零件的剛性，從而減小彈性變形[7]。An等研究切削速度對薄壁變形的影響，在高速切削條件下，避開薄壁零件的共振頻率，單次切削能有效減少刀具與工件表面的作用時(shí)間，減少切削沖量，提高效率的同時(shí)減小變形[8，9]。北京航空航天大學(xué)李忠群等通過建立切削的有限元系統(tǒng)，輸入適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，仿真整個切削過程，根據(jù)仿真結(jié)果預(yù)測真實(shí)切削發(fā)生變形，找出引起變形的主要因子，并在實(shí)際加工中對其削弱[10，11]；陳蔚芳等人開發(fā)了一套加工變形快速仿真平臺，通過對影響加工變形的因素進(jìn)行集成化仿真，得到優(yōu)化的加工參數(shù)，提高加工質(zhì)量[12]。

當(dāng)前的研究在誤差變形預(yù)測上主要利用有限元仿真的手段，這是一個成本低效率高的方法，然而精確的邊界條件獲取是一個難題，仿真的結(jié)果并不能直接用于指導(dǎo)補(bǔ)償加工。原位檢測技術(shù)是一種隨著機(jī)床和測量技術(shù)發(fā)展而興起的技術(shù)，是相對于典型三坐標(biāo)測量機(jī)使用的離線測量方法的一種測量方案[13]。相對于以上傳統(tǒng)測量手段及方案，原位檢測具有以下優(yōu)勢和特點(diǎn)：

（1）測量自動化，無需對工件進(jìn)行二次裝夾。直接利用數(shù)控機(jī)床本體和機(jī)床測頭即可完成三坐標(biāo)測量機(jī)的測量過程，特別是對大型工件或者精密零件來說，為了進(jìn)行高精度的測量來回轉(zhuǎn)運(yùn)的成本太高，而原位檢測技術(shù)正是彌補(bǔ)了這一短板。

（2）加工-測量自動切換。將測量的定位精度提升到了微米級深知亞微米級，在高精密的機(jī)床上使用可以和普通的三坐標(biāo)測量機(jī)相媲美[14]，在加工過程中隨時(shí)自動切換到測量模式，對工件進(jìn)行快速測量，為精密零件的質(zhì)量控制帶來契機(jī)。

（3）模型重建。引入測量坐標(biāo)系，定義測量坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系相對位置關(guān)系，由于數(shù)控加工中加工坐標(biāo)系與CAD模型坐標(biāo)系具有精密的聯(lián)系，因而可將三個坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一起來，建立CAD、工件、誤差模型的關(guān)聯(lián)，進(jìn)行所需的數(shù)據(jù)分析。

補(bǔ)償加工技術(shù)僅過了多年的發(fā)展，對提升加工質(zhì)量的提升取得了很多重要理論和成果[15-17]，但在實(shí)際應(yīng)用上還存在一些不完善之處。

本文針對以上航空薄壁件加工的幾何變形的背景，對薄壁件變形量的原位檢測和補(bǔ)償加工兩個方面作為研究的出發(fā)點(diǎn)，探索出一種能夠適用于航空薄壁件原位檢測與補(bǔ)償方案，達(dá)到能隨時(shí)量化加工過程中薄壁件的加工偏差，并對偏差施以補(bǔ)償，最終提高薄壁件的加工精度和效率的目的，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 薄壁件補(bǔ)償策略

1.1 一般規(guī)則薄壁件加工代碼均值偏差補(bǔ)償

首先考慮航空領(lǐng)域最為常見的規(guī)則特征的薄壁件，如平面、規(guī)則曲面零件，其加工后變形規(guī)律為整體向一個方向發(fā)生了傾斜或者偏移，如圖1所示，通常剛性弱的一段變形量大于剛性好的一端，即懸臂結(jié)構(gòu)的根部到頂部偏差逐步擴(kuò)大化，測點(diǎn)的分布如圖2所示。

圖1 規(guī)則特征變形示意圖

圖2 測點(diǎn)的分部

在圖1中，yi是理論點(diǎn)位置，xi是實(shí)際加工測量得到的對應(yīng)點(diǎn)的位置，對于薄壁平面件及規(guī)則曲面件，加工后產(chǎn)生的偏差用公式表達(dá)為：

式中向量ei為理論點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的偏差，對圖2的測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排列，得到圖3中所示的折線，可以看出整個測點(diǎn)的誤差分布在一個偏差帶的范圍內(nèi)。

圖3 規(guī)則薄壁件分布規(guī)律

根據(jù)實(shí)際的分析，偏差分布帶ε與余量δ的比值為：

因此可以認(rèn)為偏差的分布在一個相對較窄的區(qū)域，在考慮到機(jī)床的誤差的條件下，可以將總體分布的偏差均值σ作為評價(jià)偏差的標(biāo)準(zhǔn)，記作：

根據(jù)所有的點(diǎn)均值偏差，修改精加工的數(shù)控代碼，使新的加工路徑能夠抵消大部分綜合誤差引起的變形。由于半精加工與精加工選用完全相同的加工工藝參數(shù)以及同一把刀具，在切削量較小的條件小，可以忽略刀具微小磨損對切削變形的影響，同時(shí)由于半精加工、精加工的切削量減小，工件薄壁厚度的變化對工件剛度的影響也可以忽略，通過實(shí)際的加工試驗(yàn)已經(jīng)得到驗(yàn)證，可以得出在精加工中工件變形的趨勢及變形量將與半精加工趨近相同的結(jié)論，因此將半精加工的變形量作為精加工理論補(bǔ)償量比較合適的。

對于理想的補(bǔ)償加工，根據(jù)精確的測量半精加工后的偏差，然后對精加工時(shí)施加一個反向的偏差的，使得精加工的走刀軌跡能夠補(bǔ)償?shù)舭刖庸さ钠?，如圖4所示的理想補(bǔ)償方法，根據(jù)上述分析結(jié)果，實(shí)際操作中簡單薄壁件的補(bǔ)償如圖5所示。

圖4 理想偏差補(bǔ)償原理圖

圖5 實(shí)際偏差補(bǔ)償原理圖

均值偏差策略思想就是將原始的精加工刀具軌跡在發(fā)向上平移一個值，如圖6到圖7的變化，而以均值偏差作為補(bǔ)償值的參考值，在此基礎(chǔ)上引入一個補(bǔ)償系數(shù)λ，不同的材料和特征對應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)λ不盡相同，進(jìn)行N次迭代可以得出該種特征下的最優(yōu)。原始的精加工刀具軌跡和補(bǔ)償后的刀具軌跡，對比可知，補(bǔ)償后對原始的軌跡在進(jìn)給部分沿著法相方向作了一個整體平移，進(jìn)刀退刀部分采用斜線過渡，避免加工過程中軌跡的突變產(chǎn)生較大的震動，降低加工的精度。

圖6 原始精加工刀具軌跡

圖7 補(bǔ)償后精加工刀具軌跡

1.2 自由曲面薄壁件加工代碼分段補(bǔ)償

相對于1.1節(jié)中的均值偏差補(bǔ)償策略適用于規(guī)則的平面或曲面，本節(jié)的分段補(bǔ)償方法則適用于對自由曲面的情況，對于自由曲面薄壁件，由于各個部位及各個點(diǎn)的偏差分布沒有規(guī)律可循，如圖8所示為自由曲面加工后進(jìn)行的測量偏差分布。直接用均值進(jìn)行補(bǔ)償可能會導(dǎo)致局部嚴(yán)重的過切或欠切，因此需要以規(guī)則薄壁件的補(bǔ)償方法為基礎(chǔ)，將每一條軌跡離散為直線段或圓弧段，進(jìn)行分段修改，達(dá)到精確的控制。

圖8 自由曲面偏差分布

實(shí)現(xiàn)分段補(bǔ)償?shù)暮诵闹痪褪悄軐C代碼進(jìn)行快捷的操作和修改，本文采用的是海德漢數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，編碼系統(tǒng)不同于常見的G代碼系列，因此程序必須識別各項(xiàng)指令的含義，才能對其精確的增刪，海德漢系統(tǒng)的代碼定義的命令符為L、C、CC等。

對加工后的數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行分析，一般存在兩種結(jié)果，以正偏差代表的欠切和負(fù)偏差代表的過切，側(cè)銑加工過程中只需要對刀具進(jìn)行平移即可實(shí)現(xiàn)刀軌的補(bǔ)償。對于直線進(jìn)給，如圖9所示，點(diǎn)1至點(diǎn)2為直線進(jìn)給，0-1段和2段之后為進(jìn)、退刀的非進(jìn)給行程，不對工件切削作貢獻(xiàn)，只是作為導(dǎo)軌之間的過渡和避障。

圖9 單刀直線運(yùn)動軌跡圖

設(shè) 0-1段直線與X軸向量角為 a1，1-2段為a2，1-2段的垂線為a3，加工中實(shí)際的走刀軌跡0-1段的角度為a，即根據(jù)a的情況對a1進(jìn)行修改就可對平面的加工軌跡平移到想要的補(bǔ)償位置，為了避免估計(jì)的軌跡突變給機(jī)床系統(tǒng)帶來的加速度和躍度過大，可以在之間插入余弦線段進(jìn)行過渡，避免沖擊帶來加工誤差。據(jù)此得到切入切出點(diǎn)的補(bǔ)償后的坐標(biāo)值，原始軌跡點(diǎn)分別（x1，y1），補(bǔ)償后的點(diǎn)位（x1，′），σ為偏差均值，得到：

對于軌跡是圓弧的情況，如圖10所示，0-1、2-3段為進(jìn)出刀行程，1-2為進(jìn)給行程，設(shè)0-1段與X軸夾角為β，補(bǔ)償后的夾角為β′，新點(diǎn)的法向方向?yàn)棣耰（i=1，2）.

圖10 圓弧運(yùn)動單刀軌跡圖

圓弧1-2段均值誤差值為σ，修改后的坐標(biāo)為

根據(jù)上述的推導(dǎo)，在自由曲面加工中通常使用小線段或者小圓弧的逼近方法，因此獲得加工表面的加工偏差后，使用移動最小二乘法擬合和多項(xiàng)式差值，設(shè)置差值精度取值與補(bǔ)償?shù)木?xì)程度在同一個量級，將離散點(diǎn)的偏差擴(kuò)充到整個加工平面。如圖11和圖12所示的補(bǔ)償原理和補(bǔ)償思路，通過離散點(diǎn)補(bǔ)償精加工軌跡。

圖11 分段偏差補(bǔ)償原理圖

圖12 分段偏差補(bǔ)償思路

根據(jù)上面的方法，使用移動最小二乘法評估每一條線段上的偏差量，然后進(jìn)行多項(xiàng)式插值，對每一條小段進(jìn)行修改，如圖13所示的原始精加工代碼和14所示的修正后的精加工代碼，即可對整個自由曲面進(jìn)行補(bǔ)償加工。

圖13 原精加工刀具軌跡

圖14 修改后精加工刀具軌跡

2 薄壁件加工-補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

下面以航空薄壁件的典型零件航空葉片為例，進(jìn)行在機(jī)測量與補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)。

（1）機(jī)床采用瑞士米克朗UCP800Duro五軸聯(lián)動高速加工中心，搭載heidenhain iTNC530M，機(jī)床重復(fù)定位精度0.004 mm.

（2）毛坯：薄壁葉片毛坯選用航空鋁合金7075板材，毛坯尺寸為250 mm×100 mm×40 mm，其中150 mm用于加工葉片部分，50 mm為榫頭，剩余的用于夾持，如圖15所示。

圖15 毛坯及夾具尺寸

（3）定位裝夾方式：由于實(shí)驗(yàn)主要目的是對葉片自由曲面特征的加工過程中的綜合偏差變形進(jìn)行補(bǔ)償效果驗(yàn)證，采用普通的通用夾具即可，如圖15所示，沒有添加輔助工裝。

（4）刀具、測頭選用：本實(shí)驗(yàn)粗加工選用平底鎢鋼刀，直徑10 mm，刀長150 mm，刃長50 mm，3刃；半精加工和精加工使用鎢鋼球頭刀，半徑5 mm，刀長75 mm，刃長25 mm，以及加工榫頭、圓角的2.5 mm半徑球頭刀。原位檢測測頭選用雷尼紹RMP40測頭，重復(fù)定位精度0.001 mm.刀具和測頭物理參數(shù)如圖16和圖17所示所示。

圖16 刀具物理參數(shù)

圖17 測頭物理參數(shù)

2.2 加工及在機(jī)測量實(shí)驗(yàn)

本文從實(shí)際質(zhì)量要求及考慮工件毛坯出發(fā)，將加工階段劃分為粗加工-半精加工-精加工三個階段，但又與傳統(tǒng)的三個階段有所區(qū)別，具體劃分為：

（1）粗加工：完成傳統(tǒng)粗加工-半精加工任務(wù)，去除絕大部分的余量，保證加工效率。

（2）半精加工：粗加工后進(jìn)行半精加工，設(shè)計(jì)很小的切削量，為原位檢測做準(zhǔn)備。

（3）精加工：精加工設(shè)計(jì)成與半精加工完全相同的工藝參數(shù)并使用同樣的刀具，盡可能的保留半精加工同樣的變形趨勢，使得補(bǔ)償加工的規(guī)律能夠得到應(yīng)用。

為了驗(yàn)證補(bǔ)償加工的效果，薄壁葉片既是實(shí)驗(yàn)組，也作為對照組，加工參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示，其中粗銑使用平底刀快速去除大部分毛坯余量，半精銑1使葉片加工到光整的表面，半精銑2相當(dāng)于是帶有余量的精銑，之后進(jìn)行原位檢測，對NC代碼修正后，對葉片進(jìn)行精銑工序，結(jié)束后再次進(jìn)行原位檢測，工藝過程及參數(shù)如表1所示。

表1 加工參數(shù)

加工過程現(xiàn)場圖片如圖18至圖21所示。

圖18 五軸加工

圖19 半精銑1后

圖20 半精銑2后

圖21 精銑后

原位檢測規(guī)劃及測量過程。分別在半精銑2和精銑后進(jìn)行原位檢測，測點(diǎn)分布如圖22所示，葉盆、葉背各分布14×20=280測點(diǎn)，以此從葉頂?shù)饺~根，點(diǎn)集從1～20，每個點(diǎn)集14個點(diǎn)，測量過程如圖23所示。

圖22 測點(diǎn)分布

半精加工后測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析。按照點(diǎn)集分布次序，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖24所示。

圖24 半精加工后葉片偏差分布

從圖中誤差分布的情況可以得出以下結(jié)論：

（1）半精加工后葉片的整體加工變形較大，分布在0.15 mm～0.35 mm的誤差區(qū)域內(nèi)，主要由于工件剛性差且無輔助工裝、加工參數(shù)沒有作專門的優(yōu)化以及其他所有誤差因素綜合引起，與前期加工偏差的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

（2）葉根到葉頂，變形誤差逐漸擴(kuò)大，頂部加工偏差接近0.35 mm，這部分主要由于頂部厚度為3 mm左右，薄壁結(jié)構(gòu)十分明顯，導(dǎo)致加工過程中“讓刀”現(xiàn)象十分明顯。

2.3 補(bǔ)償加工結(jié)果分析

根據(jù)半精加工后的測量數(shù)據(jù)，運(yùn)用逐行修改精加工數(shù)控代碼的原理，將理論精加工代碼和半精加工誤差導(dǎo)入到自行編寫的軟件模塊中，得出補(bǔ)償加工的代碼，如圖25所示。

圖25 精加工代碼補(bǔ)償

導(dǎo)出經(jīng)過優(yōu)化補(bǔ)償?shù)木庸ごa后對葉片進(jìn)行精加工，并進(jìn)行原位檢測終檢，作為與半精加工的測量數(shù)據(jù)機(jī)型對比，如圖26所示為精加工后原位檢測中終檢過程。

圖26 葉片精加工后在線終檢

根據(jù)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)偏差信息繪制如圖27偏差分布折線圖。

圖27 精加工后葉片偏差分布折線圖

數(shù)據(jù)分布的規(guī)律可以得出以下結(jié)論：

（1）精加工的偏差分布整體上達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償效果，從半精加工0.15 mm～0.35 mm的誤差區(qū)間縮小到了-0.04 mm～0.06 mm的誤差區(qū)間；

（2）精加工后的數(shù)據(jù)誤差線條與半精加工后相比，光滑程度降低，數(shù)據(jù)走勢規(guī)律性變?nèi)?，與補(bǔ)償算法的優(yōu)化程度有一定關(guān)系，為了控制整體的加工偏差，修改每一段加工程序，而相鄰兩行程序間的過渡與銜接需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 總結(jié)

本文針對航空薄壁零件的在機(jī)測量與補(bǔ)償加工策略展開研究，提出了一種針對一般規(guī)則薄壁件的均值補(bǔ)償方法，并在此方法的基礎(chǔ)上延伸為針對自由曲面的分段誤差補(bǔ)償方法，對典型的自由曲面薄壁件即航空葉片進(jìn)行了數(shù)控加工、原位檢測及補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)，將半精加工后原位檢測數(shù)據(jù)與誤差補(bǔ)償后精加工原位檢測的偏差數(shù)據(jù)對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償前后誤差區(qū)間從0.15 mm～0.35 mm縮小到了-0.04 mm～0.06 mm，驗(yàn)證了分段誤差補(bǔ)償方法在加工幾何偏差控制上的效果，為其他類型的復(fù)雜薄壁零件的補(bǔ)償加工提供參考。

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The Research on On-site Inspection and Compensation Machining Method for Aviation Thin-walled Parts

WANG Gang，TONG Gang，MAO Jin-cheng，LI Wen-long
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China）

Thin-wall parts，such as aviation structures and blades，are key parts of aviation manufacturing，with weak rigidity，difficult machining，complex shape and other technical features.The machining accuracy is very difficult to control for thin-wall parts.This article researched on the on-site inspection and compensation machining method for aviation thin-walled parts，and purposed a mean error compensation method of rule characteristics of thin-walled.Based on this method，segmented compensation method for fine machining of free-form surface characteristics of thin-walled is furtherly purposed.Finally，the experiment of on-site inspection and compensation machining of an aviation blade is executed.After compensation machining，the machining error burst is reduce from 0.15 mm～0.35 mm to-0.04 mm～0.06 mm.The experiment verified that segmented compensation method is effective to reduce the machining error of thin-wall parts.

aviation；thin-walled parts；in machine measurement；compensation machining

V261

A

1672-545X（2017）10-0056-08

2017-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91648111，51635007）；國家973研究計(jì)劃（2015CB057304）；武漢市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2017010201010139）

王 剛（1992-），男，山東聊城人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榍嬖粰z測與補(bǔ)償加工；童 剛（1990-），男，湖北黃岡人，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)樵粰z測路徑規(guī)劃與誤差補(bǔ)償方法；毛金城（1982-），男，湖北荊門人，工學(xué)博士，博士后，主要研究方向?yàn)楣I(yè)檢測與機(jī)器人操作；李文龍（1980-），男，山東青島人，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)楹娇杖~片檢測、機(jī)器人操作。