饒鳳 RAO Feng

摘要：本文主要研究對(duì)象為航空薄壁框架類零件在數(shù)控加工過程當(dāng)中所產(chǎn)生的變形抑制為題，同時(shí)針對(duì)相關(guān)加工工藝、裝夾方式、切削線路展開分析，從而獲取到產(chǎn)品數(shù)控加工變形相關(guān)影響原因，并提出優(yōu)化方向，對(duì)整體加工工藝加以改進(jìn)的同時(shí)，提出切削線路優(yōu)化方式，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供有效參考。

Abstract： The main research object of this paper is the deformation suppression of aviation thin-wall frame parts in the CNC processing process， and analyze the relevant processing process， loading mode and cutting lines， thus obtain the influence causes of the NC processing deformation， propose the optimization direction and improve the overall processing process， so as to provide effective reference for relevant practitioners.

關(guān)鍵詞：薄壁框架零件;數(shù)控加工;變形抑制

Key words： thin-wall frame parts;CNC machining;deformation suppression

中圖分類號(hào)：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0071-02

0? 引言

在數(shù)控機(jī)床加工航空的薄壁結(jié)構(gòu)件之前，應(yīng)在輔助設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目的分析方法中對(duì)變形狀態(tài)進(jìn)行有效分析，同時(shí)對(duì)危及整體結(jié)構(gòu)的要素進(jìn)行分析，防止零件變形。在此基礎(chǔ)上，航空單位應(yīng)制定結(jié)構(gòu)件變形對(duì)策，改進(jìn)結(jié)構(gòu)件，確保飛機(jī)的整體性能。

1? 影響零件加工精度的因素

在機(jī)械加工的整個(gè)過程中，由數(shù)控車床、夾具、刀具和產(chǎn)品工件組成的詳細(xì)加工工藝系統(tǒng)軟件。在整個(gè)過程中，危及零件加工精度的因素很多。依次對(duì)詳細(xì)的加工工藝系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，得出影響零件精度的關(guān)鍵因素是數(shù)控車床本身的精度、數(shù)控車床的熱變形、整個(gè)過程中產(chǎn)品工件的裝夾變形，夾持力和刀具精度，切削力和切削熱引起的變形以及整個(gè)過程中零件內(nèi)應(yīng)力釋放引起的變形（圖1）。在所有危害精度的要素中，夾緊變形對(duì)零件精度的危害更大，其次是加工工藝系統(tǒng)軟件的熱變形和內(nèi)應(yīng)力的釋放。上述變形與整體加工工藝、裝夾方式和切削路徑直接相關(guān)。下面將對(duì)以上三點(diǎn)進(jìn)行分析和改進(jìn)，完成加工變形抑制。

2? 航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形原因

航空的薄壁結(jié)構(gòu)件在數(shù)控機(jī)床中變形是不可避免的，變形的方式非常不穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)件變形時(shí)間、極限和危害的分析，區(qū)分結(jié)構(gòu)件的變形類型。關(guān)鍵點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)件的局部變形和外觀設(shè)計(jì)的整體變形，結(jié)構(gòu)件局部變形的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)件加工和切割的全過程引起的，變形后主要表現(xiàn)為刀具局部彎曲或屈服等，多為機(jī)床與產(chǎn)品工件的接觸部位引起，另外，航空的薄壁結(jié)構(gòu)件剛性較差，也會(huì)造成零件局部變形，零件規(guī)格存在一定差異，零件外觀會(huì)稍差。其次，零件設(shè)計(jì)的整體變形主要表現(xiàn)在加工后的扭曲和彎曲，在比較短的時(shí)間內(nèi)也會(huì)發(fā)生變形。造成這種情況的直接原因是：原材料經(jīng)過激光切割后，其自身的熱應(yīng)力會(huì)分布，加工過程中溫度也會(huì)發(fā)生變化，自然環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的外觀設(shè)計(jì)也會(huì)隨之發(fā)生變化。此外，熱脹冷縮也是造成結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)變形的重要原因。在某種特殊溫度下，如果加工生產(chǎn)車間的溫度、零件運(yùn)輸?shù)臏囟群蜕a(chǎn)中后期車間的溫度不能保持一致，則無法處理熱量，引發(fā)收縮和擴(kuò)張的問題，只有合理處理了上述情況，才能對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控機(jī)床的變形問題進(jìn)行合理的處理。

3? 航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制思路

針對(duì)數(shù)控加工航空薄壁結(jié)構(gòu)件時(shí)的變形問題，可以基于有限元技術(shù)，基于商業(yè)服務(wù)軟件ANSYS，評(píng)估變形與變形之間的關(guān)系，全方位評(píng)估變形、應(yīng)力之間的關(guān)系。此外，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)線、離散系統(tǒng)的個(gè)體行為及其瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，以充分掌握結(jié)構(gòu)與載荷之間的聯(lián)系。在基本建筑結(jié)構(gòu)件的物理模型中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵點(diǎn)，其余部分可在具體結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上建模。事實(shí)上，物理模型一直處于最佳狀態(tài)，只有在這樣的條件下才能保證結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)，對(duì)于彎曲零件，彎曲剛度和平面視圖剛度相對(duì)較弱。如果在整個(gè)加工過程中遇到切削力和夾緊力，就會(huì)發(fā)生變形，根據(jù)工程力學(xué)基本變形理論的分析，原材料受外力作用會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)?shù)貞?yīng)力超過原材料的屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形。對(duì)于環(huán)件，軸向變形一般為橢圓形，必須分析以下幾點(diǎn)：一是熱應(yīng)力，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)中的原位應(yīng)力狀態(tài)分析加工變形的規(guī)律;二是切削力，數(shù)控機(jī)床加工的全過程和主要切削參數(shù)的選擇分析零件的切削力;第三是夾緊極限，在選定的夾緊位置下分析零件的夾緊力。

4? 總體加工工藝的改進(jìn)

對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)件的CNC加工，一般的變形抑制方法是多次時(shí)效解決，當(dāng)然時(shí)效性分為粗加工、半精加工和精加工多道工序，上述對(duì)策雖然可以在一定程度上抑制變形，但步驟復(fù)雜耗時(shí)，且在半精加工和精加工過程中，受限于薄壁特性的剛性問題。為了減少變形，各種刀具主要參數(shù)的提高受到限制，導(dǎo)致高加工效率降低。針對(duì)上述情況，在提高商品加工整體剛性的基礎(chǔ)上，在半精加工和精加工過程中，選擇在零件內(nèi)部添加石蠟、熟石膏或環(huán)氧樹脂聚合物的方法，以提高零件加工的整體剛性。產(chǎn)品整體剛度（圖2）。這種填料具有相同的特性，熔化干燥快，剛性好，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉。近年來，高分子聚合物被廣泛用作提高零件剛性的原材料。高分子聚合物的主要成分為尿素溶液環(huán)氧樹脂和硫酸銨，組成為96：4。這種填料可以部分或整體增加非剛性部件的剛性。加工后，加熱零件或?qū)⑺鼈兎湃胨袝?huì)使零件和填料松動(dòng)。然而，當(dāng)使用環(huán)氧樹脂聚合物時(shí)，在整個(gè)加工過程中不能使用液態(tài)制冷劑。

5? 裝夾方案量化

對(duì)于厚壁結(jié)構(gòu)件的CNC加工，傳統(tǒng)的裝夾方式為虎鉗裝夾，存在裝夾面大、厚度不一、受力均勻易造成裝夾變形的問題。因此，總體目標(biāo)是在夾緊過程中避免厚壁零件，并在拐角處使用剛性好的側(cè)裝支撐點(diǎn)塊進(jìn)行夾緊。這種方法雖然能更有效地解決厚壁處的受力問題，但由于頂裝面相對(duì)有限，頂裝力過小，在整個(gè)切割過程中容易造成零件松動(dòng)而造成偏差;導(dǎo)致夾具變形。因此，根據(jù)產(chǎn)品幾何形狀的特點(diǎn)和原材料的特性，選擇角支撐點(diǎn)側(cè)裝方式來確定合適的頂裝力極為重要。

5.1 根據(jù)切削力確定最小頂裝力

在數(shù)控機(jī)床加工的整個(gè)過程中，刀具主要切削參數(shù)的選擇是非常關(guān)鍵的。選擇不合理會(huì)導(dǎo)致零件因切削力過大而變形膨脹，降低刀具壽命，零件表面的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)隨之而來，同時(shí)危及零件的表面質(zhì)量，這阻礙了處理的高效率，增加了貨物精確操縱的難度。快速加工技術(shù)可以合理減少刀具引起的加工變形，在快速切削的情況下，零件的加工特性將得到顯著改善，切削力降低，尤其是軸向切削力的降低更為顯著，而且隨著機(jī)械設(shè)備特性的不斷提高，快速加工也越來越多用?？焖偌庸さ牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是大部分切削熱量可以通過切削快速帶走，零件的溫度不易出現(xiàn)大的波動(dòng)，因此特別適用于加工極易發(fā)生熱變形的零件。因此，零件在半精加工和精加工全過程中采用快速切削方法，明確刀具的主要切削參數(shù)。數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削加工。車刀齒數(shù)z為4齒，刀具直徑為d，為10mm，工具尺側(cè)為0°。該刀具的主要切削參數(shù)為速比n為13000r/min，每齒切削量f=0.15mm/z，切削深度a=4mm，總切削寬度a=0.8mm。根據(jù)計(jì)算，角速度V.為408.2m/min，主切削力F.為110.67N。根據(jù)垂直力F，與F.的比值為0.9，計(jì)算得出F為99.603N。已知支撐點(diǎn)塊（原材料為鋁合金型材）與零件之間的摩擦阻力為0.3，計(jì)算所需頂裝力為99.603/0.3=332.01N。

5.2 切削路徑優(yōu)化

對(duì)于快速切削刀具位置的最短路徑算法問題，快速切削的加工路徑對(duì)其速度和精度有關(guān)鍵影響。因此，在選擇快速加工的同時(shí)，進(jìn)一步完善刀具位置路徑，優(yōu)先選擇和對(duì)稱切削對(duì)策的前提下，NC程序編譯層面選擇UG軟件iMachining編輯CAM文件，螺旋切削方式用于很好地控制切削力和加工變形。使用iMachining后，優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)切削過程采用銑削方式，拐角處自動(dòng)降低速度，減少刀具損壞和零件晃動(dòng)，防止傳統(tǒng)方式切削和連接，刀具超過負(fù)荷，空切缺陷。螺旋切割的切割角度在最小值和最大值之間連續(xù)調(diào)整。同時(shí)，刀具的動(dòng)態(tài)調(diào)整保證了穩(wěn)定的機(jī)械設(shè)備和刀具上的熱消耗，并保證了最大的原料油泥負(fù)荷（MRR），延長刀具壽命。螺旋線方式可以減少振動(dòng)，避免刀具過度損壞，減少臨時(shí)厚壁的概率，從而達(dá)到操縱零件變形的目的。

6? 結(jié)語

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展趨勢(shì)，大家已經(jīng)明確對(duì)其結(jié)構(gòu)件提出了更高的規(guī)定。只有保證結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，才能滿足各種機(jī)械設(shè)備的制造規(guī)定。因此，在操縱飛機(jī)厚壁結(jié)構(gòu)件的加工變形時(shí)，必須分析具體情況，做好加工中和加工后的變形控制，以提高厚壁結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量。

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