劉述明,扈博琴,張春龍,羅兆柱
(中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司,哈爾濱 150066)
航空薄壁件一般指的是壁厚與內徑曲率半徑 (或輪廓尺寸)之比小于1∶20 的零件[1],是航空航天器的重要組成部分,這類零件具有重量輕、節(jié)約材料、結構緊湊等特點,但在制造過程中易發(fā)生彎曲、扭轉以及彎扭組合等復雜的加工變形問題。加工變形問題一直是材料領域、設計領域和制造領域共同關注的研究熱點。航空薄壁件加工的技術水平和生產能力是國家制造業(yè)實力和國防科技工業(yè)現(xiàn)代化水平的綜合體現(xiàn)[2],同時新一代飛機追求更為極致的綜合性能,也對航空航天構件的加工精度提出了更高的要求[3]。然而,現(xiàn)有的變形控制方法對大型結構件加工變形控制僅能達到每米零件0.2 mm,而新一代飛機結構件的最大允許變形量為每米零件0.05 mm,這對現(xiàn)有制造技術提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
國內外專家學者與技術人員針對加工變形問題開展了大量研究,這些研究按控制方法的決策方式可主要分為基于經驗試錯的方法和基于加工仿真的離線加工變形控制方法。基于經驗試錯的方法進展如下:經過大量工程技術人員的不懈努力與反復嘗試,許多的工藝措施得到了實施和完善,有很多精度要求較高的薄壁零件在傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨的加工方法下制造成功,確保了零件的加工質量[4]。林勇等[5]在零件裝夾時預先給零件施加一個與之變形方向相同的應力,零件加工時,內部殘余應力與零件克服裝夾預應力相互耦合,最終實現(xiàn)零件加工變形控制,其中,裝夾預應力大小根據薄壁弧形框精加工后側彎收縮量約為0.6 mm 的經驗確定。由于薄壁件種類繁多,而且多為小批量生產,這種依靠經驗試錯的方法需要在正式生產前對零件進行大量的試切試驗確定,耗費大量的人力、物力與時間。此外,由于材料批次的差異、加工過程中切削參數(shù)變化等不穩(wěn)定因素的影響,這類通過經驗確定的工藝策略往往伴隨著很大的隨機性,難以保證零件的合格率。
基于加工仿真的離線加工變形控制方法的進展如下:經過多年的研究,在金屬切削理論、切削加工模型建立以及加工仿真方面的研究均取得了很大的進展。因此加工仿真也成為加工變形控制的重要方式,其主要是借助有限元模擬技術對切削過程中薄壁件側壁、腹板、整體變形進行加工仿真,預測該工藝下的加工變形規(guī)律,從而預先調整工藝減小加工變形。Wang 等[6]使用有限元軟件MSC 模擬了鋁合金材料的加工去除過程,分析了加工變形產生的原因,提出殘余應力的釋放是大型薄壁件加工變形的主要原因。Cerutti 等[7]通過分層法獲得鋁合金毛坯初始殘余應力分布,并基于FORGE 開發(fā)了一種新的加工仿真方法,將測量應力輸入仿真模型獲得了加工變形,最終仿真變形與試驗變形有良好的一致性。Abdullah 等[8]針對薄壁件變形預測問題,通過有限元方法分析材料去除過程,并使用統(tǒng)計回歸方法建立切削殘余、零件屬性與變形的關系,獲得Ti–6Al–4V 合金零件側壁的加工撓度。林鋒等[9]建立加工變形的力學模型及其相應的有限元方法,揭示毛坯初始幾何誤差對零件變形的影響規(guī)律,以最小變形為目標建立加工位置的優(yōu)化模型,根據相鄰兩個加工位置的增量不超出閾值這一條件,提出了優(yōu)化模型的步長遞減算法。孫啟夢等[10]針對徑厚比極大的鋁合金薄壁件易加工變形的問題,開展基于有限元顯式動力學的銑削過程仿真研究,在相同材料去除率下,分析了轉速、切深及每齒進給量的組合條件對切削力與變形的影響。張春燕等[11]利用有限元軟件ABAQUS 模擬了銑削過程,建立了單因素試驗和4 因素3 水平正交試驗,分析了檢具銑削時各工藝參數(shù)對工件加工變形和材料去除率的影響規(guī)律。以上,相較于經驗試錯方法,基于加工仿真的方法建立了零件加工變形的機理模型,通過數(shù)值分析可得出更為穩(wěn)健的加工變形控制工藝策略。同時加工仿真代替了經驗試錯方法中的試切試驗,可大大減少產品生產的準備周期,降低生產成本。
殘余應力作為引起加工變形的關鍵因素,是加工仿真的重要基礎。準確測量殘余應力是保證加工仿真準確性的關鍵所在。殘余應力的測量方法主要包括破壞性試驗法和非破壞性試驗法:破壞性試驗法主要有鉆孔法[12–13]、剝層法[14–15]、納米壓痕法[16–17]等,這類方法的原理就是釋放存在材料內部的原始應力,通過測量該過程所產生的應變位移并反求出殘余應力值,該方法的問題是殘余應力測量后零件的結構也會遭到破壞,無法進一步使用;非破壞性試驗法主要有X 射線衍射法[18–19]、超聲法[20–21]、中子衍射法[22–23]等無損檢測方法,但這類方法目前只能檢測表面或近表面的殘余應力。通過以上分析,殘余應力測量方法大多比較復雜且昂貴,測量范圍和精度受限,而且不同毛坯件的殘余應力分布也存在較大差異。
綜上所述,現(xiàn)有殘余應力測量方法仍存在很大的局限性,迫切需要一種精確在線推斷航空薄壁件初始殘余應力場的方法?;诒O(jiān)測變形力重構當前毛坯全局殘余應力場的方法是精確獲取當前零件殘余應力的重要途徑,以變形量預測精度作為殘余應力場推斷誤差評價指標,該方法與鉆孔破壞法相比,求解結果的均方根誤差平均降低了87.1%[24]。因此,本文針對航空薄壁件加工變形問題,以某傳扭轉接盤作為研究對象,采用上述基于變形力的殘余應力重構法對當前加工零件的初始殘余應力場進行推斷實現(xiàn)殘余應力重構,進而結合浮動裝夾自適應加工工藝實時調整優(yōu)化加工變形控制策略,可有效控制零件的變形。
浮動裝夾加工工藝是一種集監(jiān)測、裝夾、浮動于一體的加工工藝方法,具有在加工過程自適應釋放、監(jiān)測并消除零件變形的功能。在切削加工的間隙,浮動裝夾可以根據裝夾裝置監(jiān)測到的裝夾作用力,在保證定位基準的條件下,自適應調整裝夾和加工工藝,通過進一步的加工工藝消除零件變形。浮動裝夾自適應加工原理主要包含自適應裝夾與數(shù)據監(jiān)測兩部分。
浮動裝夾通過將零件脫離工作臺進行加工,使零件在加工過程中可以充分釋放變形,同時通過固定裝夾單元保證工件定位基準,保證加工工件的加工質量。浮動裝夾自適應加工的裝夾原理如圖1所示,中間3 個固定裝夾單元完全定位零件,保證加工的基準,周圍的浮動裝夾單元和輔助支撐單元則能夠保證變形釋放并重新裝夾。
圖1 浮動裝夾自適應加工原理Fig.1 Floating fixture adaptive processing principle
裝夾裝置中嵌入壓力傳感器,能夠在零件加工的過程中監(jiān)測裝夾點的零件與裝夾裝置之間作用力的變化。通過監(jiān)測零件的變形力的變化,一方面了解零件的整體變形狀態(tài)和變形趨勢,分析在當前變形狀態(tài)下夾緊零件是否能夠在毛坯包絡體內加工出合格的零件;另一方面,根據零件的整體變形狀態(tài),分析零件變形的規(guī)律,從而根據零件的變形量調整加工工藝,進一步減小加工零件的整體變形。與傳統(tǒng)預測方法相比,浮動裝夾將由不確定性因素導致的加工變形精確預測難題轉化為基于變形力、加工變形監(jiān)測數(shù)據等確定性因素的問題求解,為加工變形的精確控制提供了新的思路。
毛坯制造過程中會經歷不均勻的溫度變化,其內部會發(fā)生不均勻的彈塑性變形、相變等,會產生殘余應力場。初始狀態(tài)下,毛坯內殘余應力保持平衡,零件不會發(fā)生變形。但在加工過程中隨著材料的去除,工件內部的應力平衡被打破,應力場發(fā)生重平衡,零件發(fā)生變形,如圖2所示。
圖2 加工變形機理Fig.2 Mechanism of machining deformation
根據彈性力學,零件材料去除后不平衡的初始殘余應力疊加會形成彎矩My、Myx、Mxy、Mx和剪力Fy、Fx,零件受上述彎矩和剪力的作用發(fā)生變形,即
式中,My、Myx、Mxy、Mx表示不平衡的初始殘余應力形成的彎矩;Fy、Fx表示不平衡的初始殘余應力形成的剪力;σx(x,y,z)、σy(x,y,z)分別表示材料內部x向殘余應力和y向殘余應力;τyx(x,y,z)、τxy(x,y,z)、τyz(x,y,z)分別表示材料內部3 個方向的切應力;z表示厚度方向坐標;h表示材料厚度。在加工過程中,隨著零件材料的去除,零件內部殘余應力會發(fā)生重平衡,由于夾具的限制,夾具的裝夾力與殘余應力平衡,裝夾力發(fā)生變化,將由殘余應力引起的裝夾力變化值記作變形力(變形力是與零件殘余應力場相關的物理量,可以通過在夾具中布置力傳感器監(jiān)測零件變形)。
工件內部不平衡殘余應力的等效外載荷為
式中,q(x,y)為等效外載荷。當變形受到約束時,等效外載荷作用在裝夾點上產生變形力,因此等效外載荷等于變形力q(x,y),即
基于變形力可以根據反問題求解方法求解零件殘余應力場,基本流程如下:根據殘余應力場在線推斷方法,在保證不影響零件最終尺寸的條件下,根據加工余量設計加工區(qū)域,用于重構殘余應力場,之后在仿真環(huán)境下建立變形力與殘余應力之間的求解矩陣K,在實際加工過程中,采集加工過程中產生的變形力數(shù)據F,最后通過變形力數(shù)據F與求解矩陣K重構毛坯的殘余應力場σ,流程如圖3所示。
圖3 重構當前毛坯全局殘余應力場流程圖Fig.3 Flow chart of reconstructing the global residual stress field of the current blank
以某傳扭轉接盤為研究對象,材料為7475–T7351 鋁合金,彈性模量與泊松比分別為71.7 GPa 和0.33,零件長約560 mm,寬約400 mm,最大厚度約15 mm,最薄厚度約4.5 mm,其幾何形狀如圖4所示。
圖4 零件幾何形狀(mm)Fig.4 Geometry of part (mm)
本文將加工過程劃分為重構殘余應力場、粗加工、精加工3 個階段,如圖5所示,首先在重構殘余應力場階段,基于變形力重構當前毛坯全局殘余應力場,進而結合ABAQUS 有限元軟件迭代優(yōu)化,確定零件在毛坯中所處的最佳加工位置,實現(xiàn)粗加工過程中的余量分配,同時結合浮動裝夾自適應加工方法[25],在粗加工過程中控制零件產生的加工變形。在精加工階段,零件將被裝夾在工作臺上完成剩余的加工步驟,得到最終的零件。
圖5 某傳扭轉接盤加工過程Fig.5 Machining process of transmission reverse disc
根據毛坯尺寸與零件尺寸設計出用于重構殘余應力場的零件,如圖6所示,該零件留有充足余量,可以包絡住最終所需的零件,不影響最終零件加工。
圖6 用于重構殘余應力場的零件Fig.6 Parts used to reconstruct residual stress fields
首先在仿真環(huán)境下建立變形力與殘余應力之間的求解矩陣K(50×200),在實際加工過程中,采集加工過程中產生的變形力數(shù)據,采集數(shù)據的設備采用浮動夾具,該裝備具有數(shù)據采集 (加工過程中采集的變形力數(shù)據如表1所示)、自適應裝夾等多種功能,變形力監(jiān)測布置如圖7所示。將變形力數(shù)據表示為200×1 的矩陣,基于殘余應力層分布假設 (毛坯每層的殘余應力分布一致),通過變形力數(shù)據與求解矩陣重構毛坯的殘余應力場 (式(4)),零件全局殘余應力場的重構結果如圖8所示。
圖7 重構殘余應力場Fig.7 Reconstruct residual stress field
圖8 毛坯全局殘余應力重構結果Fig.8 Results of global residual stress reconstruction of blank
表1 變形力數(shù)據Table 1 Deformation force data N
該傳扭轉接盤在厚度方向上,毛坯尺寸約是零件尺寸的1.6 倍,因此可通過優(yōu)化零件在毛坯中的位置,實現(xiàn)對零件加工變形的控制。基于重構得到的殘余應力數(shù)據,在ABAQUS仿真環(huán)境下進行變形仿真,根據零件在厚度方向的加工余量,以一定劃分精度對零件進行網格劃分,共得到11個加工位置,如圖9所示。通過比較不同加工位置的加工變形大小,選擇變形最小的加工余量分配策略,從仿真結果可以看出,當加工位置選擇7 mm 時,即零件上層分配7 mm 加工余量時,加工變形最?。▓D9(h))。
圖9 不同加工余量分配策略的加工變形仿真Fig.9 Simulation of machining deformation with different machining allowance allocation strategies
同時為進一步減小變形,在加工過程中還使用了浮動裝夾自適應加工方法,將整個粗加工過程劃分成若干個階段,根據加工位置優(yōu)化該零件為上層余量為7 mm,下層加工余量為3 mm,而精加工余量設置為2 mm,即在粗加工階段上層加工5 mm,下層加工1 mm,粗加工階段采用層加工工藝,每次向下加工1 mm,每加工完1 mm,打開浮動裝夾,零件釋放變形,再重新自適應裝夾,在反復的釋放變形過程中,減小零件產生的加工變形,加工現(xiàn)場如圖10(a)所示。
精加工是零件加工的最后一道工藝,對保證最終零件的加工質量至關重要。為保證精加工精度,零件需要以工作臺為基準平面進行加工,同時零件的定位基準也應在粗加工結束后重修一次,保證零件在工作臺上準確定位裝夾,裝夾布局如圖10(b)所示,之后按照要求精銑外形,得到最終零件。最后測量零件的加工變形量,測量現(xiàn)場如圖10(c)所示,根據設計要求,需要滿足兩個精度指標:基準A的平面度小于0.15 mm;基準D對基準A的平行度小于0.12 mm。基準A與基準D的位置如圖11所示,零件最終的加工精度:基準A平面度為0.11 mm;基準D對基準A平行度為0.04 mm。
圖10 零件加工Fig.10 Parts manufacturing
圖11 基準A 與基準D 位置示意圖Fig.11 Schematic diagram of position of base A and base D
根據零件以往的加工情況,主要采用固定裝夾加工工藝方法,通過粗加工過程中正反兩面反復修整基準去除余量進行零件變形控制,所能達到的加工變形控制精度:基準A的平面度為0.2 mm;基準D對基準A的平行度為0.2 mm。本文提出的加工變形控制方法,通過殘余應力重構優(yōu)化了零件在毛坯中所處的位置,本質上通過平均水平更低的殘余應力保證了零件的整體變形控制水平;所采用的浮動裝夾自適應加工方法在保證加工基準的基礎上,通過釋放并消除變形的方法,進一步提高了變形控制精度??梢钥闯?,本文方法較以往的加工方法取得了更好的變形控制效果,并滿足了零件的加工精度要求。
本文針對航空薄壁件加工變形問題,以某傳扭轉接盤作為研究對象,采用上述基于變形力的殘余應力重構法對當前加工零件的初始殘余應力場進行推斷,進而結合浮動裝夾加工工藝實時調整優(yōu)化加工變形控制策略,將由不確定性因素導致的加工變形精確預測難題轉化為基于變形力監(jiān)測數(shù)據等確定性因素的問題求解,實現(xiàn)變形的有效控制,但本文方法仍有兩點需要注意。
(1)本文方法中,殘余應力場重構階段中的求解矩陣K通過仿真環(huán)境獲得,仿真環(huán)境中的設置應盡量接近實際環(huán)境,以確保所重構的殘余應力可有效指導零件的加工變形控制。
(2)復雜的加工環(huán)境給變形力的精確測量帶來了挑戰(zhàn),極易導致變形力的測量產生較大的誤差。潛在的解決方法包括在殘余應力場重構中引入正則化項,提升殘余應力場重構的準確性,這也是本文后續(xù)的研究內容。
本文針對航空薄壁板類零件的加工變形問題展開研究,并通過對某傳扭轉接盤的工藝研究與實際加工,得出兩點結論。
(1)基于監(jiān)測變形力數(shù)據,采用最新的重構毛坯全局殘余應力場方法,在線求解了當前零件毛坯的殘余應力場。該方法為毛坯全局殘余應力的獲取提供了新思路,可有效結合多種加工變形控制方法,指導零件的加工變形控制。本文分析了加工位置對加工變形的影響,根據重構的殘余應力場,結合仿真軟件得到不同加工位置的加工變形情況,進而確定了最優(yōu)加工位置,控制了加工變形,將由不確定性因素導致的加工變形精確預測難題轉化為基于變形力監(jiān)測數(shù)據等確定性因素的問題求解,最終零件基準A的平面度為0.11 mm,基準D對基準A平行度為0.04 mm,滿足加工精度要求。
(2)通過使用浮動裝夾自適應加工工藝,在切削加工的間隙監(jiān)測零件的加工變形力,在保證定位基準的前提下松開裝夾,釋放工件的加工變形,并自適應調整裝夾后夾緊工件,通過進一步的加工消除工件變形。本文將該方法應用于傳扭轉接盤的加工變形控制,得到了良好的加工變形控制效果。此外,該方法同樣可應用于其他結構零件的加工變形控制,如航空發(fā)動機蓋板、結構件等。