劉雪麗，王宇航，李超然，李彩紅，張晟瑋，孫劍飛，3

（1. 中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司，成都 610503；2. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；3. 北京航空航天大學(xué)江西研究院景德鎮(zhèn)分院，景德鎮(zhèn) 333000）

導(dǎo)軌梁是發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道反推裝置的重要組成部分[1]，其主要作用是推動(dòng)滑出外涵道，將燃?xì)饬骰蝻L(fēng)扇出口的空氣流轉(zhuǎn)折成一定角度，斜向前方45°噴出，產(chǎn)生與飛機(jī)飛行方向相反的推力，以達(dá)到縮短飛機(jī)著陸滑行距離的目的[2-3]。導(dǎo)軌梁模型如圖1所示。在飛機(jī)降落過(guò)程中，導(dǎo)軌梁上的吊耳等部位將會(huì)承受反推裝置重力、高速飛行時(shí)的風(fēng)阻力、推出后與飛機(jī)形成的振動(dòng)，以及反復(fù)推出、收回的摩擦力等。

導(dǎo)軌梁屬于典型的大尺寸薄壁零件，具有剛性低、材料去除率大等不利于銑削加工的特點(diǎn)，有必要對(duì)其加工變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制[4]。為了獲取毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力分布模型，預(yù)測(cè)材料去除產(chǎn)生的加工變形規(guī)律，本文將對(duì)ZL116 鑄造鋁合金毛坯關(guān)鍵表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，對(duì)其材料去除階段進(jìn)行加工變形仿真，通過(guò)仿真變形結(jié)果提出合理的加工工藝改進(jìn)方案，為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供合理有據(jù)的幫助。

1 零件加工工藝分析

1.1 研究對(duì)象分析

圖2 所示為導(dǎo)軌梁零件的A基準(zhǔn)面 （A面）、B面、三角框 （C面）內(nèi)外側(cè)3 個(gè)主要加工表面，該零件具備幾個(gè)尺寸特征：整體尺寸大，長(zhǎng)度跨度為1450 mm；B面為垂直于A面的平面，且內(nèi)部需要加工主、副導(dǎo)軌槽；對(duì)位置精度要求較高；壁厚較小、加工去除余量大，精加工后零件最薄處僅為3 mm，主要加工表面材料去除比率大于50%；空腔結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，B面的背面布滿加強(qiáng)筋等，鑄造應(yīng)力大且分布不均，在材料去除過(guò)程中易因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生較大的加工變形[5-6]。

圖2 導(dǎo)軌梁主要加工表面Fig.2 Main processing surface of guideway beam

1.2 零件工藝分析

本文主要研究?jī)?nèi)容為導(dǎo)軌梁毛坯階段3 個(gè)區(qū)域的主要加工工藝流程，如圖3所示，即加工A面 （誤差< 0.1 mm）、加工B面 （誤差< 0.5 mm）、加工C面內(nèi)外側(cè)（誤差< 0.5 mm ）。

圖3 零件加工工藝流程Fig.3 Process flow of parts processing

1.3 加工難點(diǎn)分析

材料的去除過(guò)程中，毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力逐步釋放和重分布產(chǎn)生加工變形，A面作為后續(xù)加工過(guò)程的基準(zhǔn)，其產(chǎn)生的加工變形必然會(huì)影響到下一加工部位的加工精度，因此其在整個(gè)導(dǎo)軌梁的加工過(guò)程中最為關(guān)鍵；在加工A面的同時(shí)去除了部分C面外側(cè)的材料，隨后進(jìn)行C面外、內(nèi)側(cè)的材料去除，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，C面外側(cè)加工后超差率較高，需要同時(shí)關(guān)注這兩個(gè)部位的加工變形情況；B面作為導(dǎo)軌梁中最大的平面，跨度極大，其平面度與A面的垂直度難以保證。

1.4 零件簡(jiǎn)化與子結(jié)構(gòu)分割

在不影響殘余應(yīng)力測(cè)量和材料去除仿真結(jié)果的前提下，為了方便構(gòu)建仿真模型，避免仿真過(guò)程中的不收斂情況，在原始模型中刪除后續(xù)加工步驟中生成的特征，如孔、圓角、倒角、密封槽等，同時(shí)也刪除一些對(duì)全局分析無(wú)明顯影響的無(wú)規(guī)則特征。零件模型簡(jiǎn)化前后的對(duì)比如圖4 所示。

圖4 零件模型的簡(jiǎn)化Fig.4 Simplified part model

由于零件毛坯尺寸跨度較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)一步簡(jiǎn)化研究對(duì)象，圖5（a）中圈注的部位不屬于上述研究對(duì)象，本身不涉及加工，其內(nèi)部殘余應(yīng)力并不會(huì)引起加工B面時(shí)產(chǎn)生的加工變形，因此這一部分不作為后續(xù)研究對(duì)象，在三維模型中將此部位拆分出去，為了保證試驗(yàn)中的毛坯與簡(jiǎn)化模型一致，用線切割將此部分切下，簡(jiǎn)化后的模型如圖5（b）所示。

圖5 子結(jié)構(gòu)分割示意圖Fig.5 Schematic diagram of substructure division

由于第1 步加工的A面和后續(xù)加工的C面位于B面的一端，雖然在工藝基準(zhǔn)和尺寸要求上相互關(guān)聯(lián)，但從加工變形的角度分析，加工A面產(chǎn)生的變形不會(huì)影響B(tài)面產(chǎn)生變形，只會(huì)對(duì)后續(xù)加工的基準(zhǔn)產(chǎn)生影響，同時(shí)，加工B面產(chǎn)生的變形對(duì)A面產(chǎn)生的影響也微乎其微。而A面和C面存在明顯的關(guān)聯(lián)性，其結(jié)構(gòu)相連，加工過(guò)程產(chǎn)生的變形也必然相互影響。因此，為了同時(shí)關(guān)注兩個(gè)部位的加工變形情況，便于進(jìn)行加工表面的殘余應(yīng)力測(cè)量和后續(xù)的仿真計(jì)算，在此引入子結(jié)構(gòu)法，將導(dǎo)軌梁的C面和A面連接部分從導(dǎo)軌梁的整體中獨(dú)立成1 個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，三維模型中的分割位置如圖5（c）所示，左側(cè)為后續(xù)研究的子結(jié)構(gòu)，為了保證試驗(yàn)中的毛坯與簡(jiǎn)化模型一致，利用線切割將實(shí)際毛坯沿此模型中的分割區(qū)域切開。

2 零件毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力測(cè)量

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備主要有Prism 殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x及數(shù)控加工中心VL-866。Prism 殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x如圖6所示。鉆孔是最常用的通過(guò)應(yīng)力釋放來(lái)測(cè)量殘余應(yīng)力的方法[7]。通過(guò)在指定材料表面鉆一個(gè)小盲孔，小孔周圍會(huì)自發(fā)地建立一個(gè)新的應(yīng)力平衡，使孔附近表面發(fā)生位移與形變，通常采用貼應(yīng)變片來(lái)測(cè)量表面發(fā)生的變化。本文采用Prism 電子散斑干涉鉆孔殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x （芬蘭Stresstech group 公司）來(lái)測(cè)量毛坯表層的殘余應(yīng)力，該設(shè)備基于鉆孔法，并結(jié)合數(shù)字成像和電子散斑干涉技術(shù) （Electronic speckle pattern interferometry，ESPI），相比其他殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備，Prism 采用最新的ESPI 技術(shù)，單層測(cè)量時(shí)間小于5 min，測(cè)量絕對(duì)誤差小于7 MPa，相比于傳統(tǒng)貼應(yīng)變片的鉆孔法，省去了貼應(yīng)變片的時(shí)間和設(shè)備調(diào)試時(shí)間，而基于電子散斑的非接觸式測(cè)量原理，排除了傳統(tǒng)測(cè)量的諸多干擾因素，鉆孔與測(cè)量全程由電腦控制，極大提高了測(cè)量效率和測(cè)量精度。同時(shí)，Prism 的鉆孔系統(tǒng)可用于多種晶體、非晶體及單相和多相材料。

圖6 Prism 殘余應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)Fig.6 Prism residual stress measurement system

2.2 測(cè)量原理與區(qū)域劃分

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于Prism 殘余應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)單次測(cè)量深度最大為2 mm，為獲得導(dǎo)軌梁毛坯各個(gè)加工面上大于2 mm 深度的殘余應(yīng)力，需采用剝層法，剝層所使用設(shè)備為數(shù)控加工中心VL-866。由于每一次剝層后，零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力都會(huì)因材料去除而重新分布，因此只有第1 層測(cè)量的殘余應(yīng)力才是初始?xì)堄鄳?yīng)力。在測(cè)量余下部分的殘余應(yīng)力時(shí)，此時(shí)零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力不再是初始?xì)堄鄳?yīng)力，所測(cè)得殘余應(yīng)力需要進(jìn)行修正。該測(cè)量方法是對(duì)某局部范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值進(jìn)行測(cè)量，而且在不同深度的殘余應(yīng)力是逐層測(cè)量，因此在測(cè)量點(diǎn)的殘余應(yīng)力可以看作是按層分布。首先利用Prism 激光干涉儀測(cè)量前2 mm 深度方向的殘余應(yīng)力，然后采用局部剝層法，將小孔周圍的材料去除，剝層厚度為2 mm，再利用Prism 激光干涉儀從剝層后的2 mm 深度處開始測(cè)量，此時(shí)測(cè)量2 ～ 4 mm 深度的殘余應(yīng)力，如此循環(huán)操作完成0～6 mm 厚的零件毛坯殘余應(yīng)力測(cè)量。由于采用局部剝層法，剝層區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殘余應(yīng)力劃分區(qū)域，因此對(duì)剝層后獲得的殘余應(yīng)力不再予以修正。

2.2.1 測(cè)量過(guò)程

在本試驗(yàn)中，被測(cè)材料為ZL116 鋁合金，其彈性模量為70000 MPa，泊松比為0.39[8]。Prism 殘余應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)單次測(cè)量具體過(guò)程如下。

（1）首先按照指定順序打開各個(gè)設(shè)備，將儲(chǔ)氣罐沖壓，激光發(fā)生儀預(yù)熱10 min，使激光發(fā)生器的功率穩(wěn)定。

（2）安裝待測(cè)零件，調(diào)試零件位置，將零件待測(cè)表面垂直對(duì)準(zhǔn)鉆頭，并手動(dòng)進(jìn)給主軸，檢查鉆頭行程是否能夠完成整個(gè)盲孔深度的測(cè)量。

（3）打開輔助照明設(shè)備，調(diào)整攝像頭、激光發(fā)生儀角度并對(duì)焦。

（4）對(duì)刀。設(shè)定待測(cè)零件測(cè)量表面處于零點(diǎn)位置，并進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置和光學(xué)設(shè)置。

（5）測(cè)量。電腦自動(dòng)控制進(jìn)給與干涉圖形的拍攝工作，根據(jù)進(jìn)給設(shè)置參數(shù)，鉆頭每鉆到設(shè)定深度，都會(huì)進(jìn)行拍照，并留下當(dāng)前深度下孔周圍表面的散斑圖，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖7 所示，殘余應(yīng)力測(cè)量參數(shù)如表1 所示。

圖7 殘余應(yīng)力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Scene of residual stress measurement

表1 殘余應(yīng)力測(cè)量參數(shù)Table 1 Parameters of residual stress measurement

（6）測(cè)量結(jié)束分析計(jì)算數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比各個(gè)深度拍照得到的散斑圖，求解不同深度X、Y方向和切向的殘余應(yīng)力分布。

為了較好地表征待測(cè)零件的殘余應(yīng)力，以特征為參考將測(cè)量表面分成若干個(gè)測(cè)量區(qū)域，用測(cè)點(diǎn)處所測(cè)得的深度方向殘余應(yīng)力代表該區(qū)域同一深度的平均殘余應(yīng)力。由于A、C面緊鄰且有相同平面，故在下文的試驗(yàn)分析過(guò)程中將A、C面放在一起討論。

2.2.2A、C面區(qū)域劃分

理論上，同一測(cè)量面上選取的測(cè)量點(diǎn)越多，區(qū)域劃分越密集，其平均殘余應(yīng)力代表整體殘余應(yīng)力就越精確?？紤]測(cè)量效率和時(shí)間，將A、C面分為12 個(gè)測(cè)量區(qū)域，測(cè)量區(qū)域劃分及測(cè)量點(diǎn)的選取如圖8（a）所示。該測(cè)量法是對(duì)某局部范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值進(jìn)行測(cè)量，而在不同深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力為逐層測(cè)量。

圖8 測(cè)量區(qū)域劃分及測(cè)點(diǎn)位置選取Fig.8 Division of measuring area and selection of measuring point location

2.2.3B面區(qū)域劃分

將B面分成8 個(gè)測(cè)量區(qū)域，區(qū)域的劃分和測(cè)量點(diǎn)的選取如圖8（b）所示。

2.3 測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)量完成后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行求解計(jì)算，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的單次測(cè)量深度為2 mm，在2 mm 的深度范圍內(nèi)，將殘余應(yīng)力測(cè)量層分為4 層，每0.5 mm 得到一組X向和Y向的殘余應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)。導(dǎo)軌梁A面和B面的加工余量為3 mm，C面的加工余量為9 mm，A面和B面的毛坯狀態(tài)壁厚為9 mm，C面毛坯狀態(tài)壁厚為12 mm，考慮到C面的結(jié)構(gòu)可以近似為內(nèi)外對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以將12 mm 壁厚的中性層作為對(duì)稱面，其剩余6 mm未測(cè)得的殘余應(yīng)力層等效為已測(cè)6 mm 殘余應(yīng)力的對(duì)稱應(yīng)力，這樣就可以獲得C面毛坯整個(gè)區(qū)域的全部應(yīng)力狀態(tài)[9]。對(duì)于A面的殘余應(yīng)力同樣做對(duì)稱等效。由于A面毛坯壁厚為9 mm，將其分為6 層，分別為2 mm、2 mm、0.5 mm、0.5 mm、2 mm、2 mm，殘余應(yīng)力測(cè)量深度為4.5 mm。這樣的等效處理可以大幅減少測(cè)量所花費(fèi)的時(shí)間提高試驗(yàn)效率，且要處理的數(shù)據(jù)也相應(yīng)減少。B面毛坯壁厚9 mm，如果在已測(cè)量6 mm 深度的前提下進(jìn)行4 ～ 6 mm 深度的剝層，然后測(cè)量6 ～ 8 mm 深度的殘余應(yīng)力，其剩余壁厚僅剩1 mm，Prism 測(cè)量系統(tǒng)是基于盲孔法測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果將不準(zhǔn)確；同樣剝層次數(shù)過(guò)多，剝層區(qū)域殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致下一層殘余應(yīng)力重分布產(chǎn)生的累計(jì)誤差將不能被忽略。綜上兩點(diǎn)原因，對(duì)于剩余3 mm 殘余應(yīng)力層未予以測(cè)量。且其為薄板結(jié)構(gòu)，外側(cè)是加工表面，內(nèi)側(cè)連接筋板，越靠近內(nèi)側(cè)越不容易產(chǎn)生加工變形，因此，將剩余3 mm 等效為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。

2.3.1A、C面測(cè)量結(jié)果

圖9 所示為A、C面各區(qū)域的殘余應(yīng)力測(cè)量值。其中A面各區(qū)域平均殘余應(yīng)力基本在-200 ～ 200 MPa 浮動(dòng)，其中區(qū)域5 和區(qū)域9 深度方向平均殘余應(yīng)力波動(dòng)較大。區(qū)域5 位于C面與導(dǎo)軌梁主體的過(guò)渡部位，且位于A面的中央?yún)^(qū)域，而區(qū)域9 位于A面的邊緣，在后續(xù)的加工變形仿真過(guò)程要注意與C面連接部位和邊緣部位的加工變形情況；C面整體殘余應(yīng)力幅值較小，最大殘余應(yīng)力在50 MPa 左右，且沿深度方向呈對(duì)稱分布，X方向和Y方向殘余應(yīng)力雖然數(shù)值不同，但分布規(guī)律類似，由于C面材料去除比率達(dá)75%，且內(nèi)外材料均需要去除，其中內(nèi)外交替的去除順序會(huì)影響殘余應(yīng)力的演化過(guò)程，因此在后續(xù)仿真中需要關(guān)注去除順序不同產(chǎn)生的變形。

圖9 A、C 面各區(qū)域殘余應(yīng)力測(cè)量值Fig.9 Residual stress values in each area of plane A and C

2.3.2B面測(cè)量結(jié)果

圖10 為B面各區(qū)域的殘余應(yīng)力測(cè)量值，這3 個(gè)區(qū)域深度方向應(yīng)力波動(dòng)較大，區(qū)域1 是B面上最遠(yuǎn)離A面的部分，區(qū)域4 和5 分別位于副導(dǎo)軌槽的兩側(cè)，位于B面的中間區(qū)域，從A面各區(qū)域和B面的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可以得出，導(dǎo)軌梁兩個(gè)平面的中間區(qū)域應(yīng)力波動(dòng)較大，且應(yīng)力值較大。其原因可能是較大平面上的材料逐漸去除，其中間區(qū)域和邊緣區(qū)域的材料冷卻速度不同，造成其應(yīng)力分布不均或應(yīng)力波動(dòng)較大。

圖10 B 面各區(qū)域殘余應(yīng)力測(cè)量值Fig.10 Residual stress values in each area of plane B

3 零件加工過(guò)程仿真及變形預(yù)測(cè)

本文采用ANSYS 作為加工變形仿真的分析工具。為了使仿真模型順利收斂，使用非線性分析功能對(duì)模型的A面、B面、C面毛坯施加上述測(cè)得的初始?xì)堄鄳?yīng)力，模擬材料去除過(guò)程，預(yù)測(cè)各個(gè)加工階段完成后零件的加工變形情況。

3.1 仿真流程

加工變形仿真的主要流程為：將上文中簡(jiǎn)化后并分成兩部分的零件毛坯三維模型導(dǎo)入有限元軟件；劃分網(wǎng)格，并將上文所測(cè)得的殘余應(yīng)力值代入有限元模型模擬零件的殘余應(yīng)力并施加約束；根據(jù)不同工序創(chuàng)建多個(gè)載荷步，每個(gè)工序?qū)?yīng)1 個(gè)載荷步；使用生死單元法模擬零件在加工過(guò)程中的材料去除，其原理就是將每個(gè)加工步驟中要去除的材料單元?jiǎng)偠染仃嚦艘砸粋€(gè)很小的因子，使其各物理參量都趨近于0，不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響；最后得出加工變形云圖。具體加工變形仿真流程如圖11 所示。

圖11 有限元加工變形仿真流程Fig.11 Process of finite element machining deformation simulation

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1A、C面子結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

子結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)軌梁的A面和C面部分。網(wǎng)格劃分與坐標(biāo)建立如圖12所示。由于殘余應(yīng)力層的厚度決定了劃分單元的大小，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)，將施加應(yīng)力層部分的網(wǎng)格單元大小劃分為0.5 mm。

圖12 A、C 面子結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.12 Substructure meshing of plane A and C

按照加工工藝中各加工階段的去除余量對(duì)加工表面進(jìn)行分層去除，加工順序分為5 個(gè)階段： （1） 去除A面1.5 mm 余量； （2）去除A面1 mm 余量； （3）去除A面0.5 mm 余量； （4）去除C面外側(cè)余量； （5）去除C面內(nèi)側(cè)余量。從工藝中可以得出，A面作為后續(xù)加工的基準(zhǔn)面，其Z方向的變形會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)加工精度，因此提取每一加工階段后剩余A面在Z方向的變形量，如圖13 所示。

圖13 A 面逐步加工Z 向變形Fig.13 Gradually processed deformation in Z-direction of plane A

從仿真結(jié)果可知，A面材料去除1.5 mm 時(shí)，Z方向的變形主要集中在C面連接A面一側(cè)中心區(qū)域和沒有支撐連接的A面弧形邊緣區(qū)域，當(dāng)精加工A面完成后，加工C面時(shí)，A面基本不產(chǎn)生加工變形。圖14 為C面材料去除后的加工變形。由于導(dǎo)軌梁的A面是后續(xù)加工基準(zhǔn)面，因此對(duì)Z方向加工精度要求較高，圖 15 描述了A面弧形邊緣部位和C面連接A面一側(cè)隨著材料去除最大變形量的變化情況。

圖14 C 面內(nèi)外側(cè)材料去除后的變形Fig.14 Deformation of plane C after removal of internal and external materials

如圖15所示，A面區(qū)域8 和9 在加工階段均比較穩(wěn)定，最大變形量維持在0.1 mm 左右，區(qū)域6 雖然有一定波動(dòng)，但總體也穩(wěn)定在-0.3 ～ -0.1 mm 之間。因?yàn)镃面在未加工之前，其毛坯壁厚為12 mm，本身結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，因此C面連接A面一側(cè)的區(qū)域10 在前4 個(gè)加工階段時(shí)變形量較為穩(wěn)定，在-0.05 mm 左右。在第5 個(gè)加工階段，C面連接A面一側(cè)變形量從-0.042 mm 變化到-0.485 mm，其原因可能是第4 階段加工完成后，C面整體應(yīng)力水平較高，C面的最終的保留部分和內(nèi)側(cè)待去除余量部分產(chǎn)生平衡，而零件整體壁厚仍較厚，最薄處為9 mm，第5 階段完成后，隨著C面內(nèi)側(cè)余量去除，C面最薄壁厚僅為3 mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速下降，由于材料的去除是C面連接A面一側(cè)的背面，隨著C面內(nèi)部應(yīng)力平衡被打破，零件朝著相反的方向產(chǎn)生變形，最大變形量為-0.485 mm。

圖15 A、C 面重點(diǎn)區(qū)域Z 向變形量Fig.15 Z-direction deformation of key area of plane A and C

3.2.2B面仿真結(jié)果

B面加工變形仿真流程與3.2.1 節(jié)相同，圖16 所示為B面網(wǎng)格劃分和坐標(biāo)建立。按照加工工藝要求，與實(shí)際加工中以A面作為基準(zhǔn)相同，在仿真中對(duì)A面施加全約束，分3 個(gè)加工階段對(duì)B面余量分層去除： （1）去除B面1.5 mm 余量； （2）去除B面1 mm 余量； （3）去除B面0.5 mm 余量。從工藝中可以看出，B面是導(dǎo)軌梁零件中最大的平面，需要在此面加工出主導(dǎo)軌槽和副導(dǎo)軌槽等特征，其對(duì)平面度和與A面的垂直度都有很高的要求，因此應(yīng)主要關(guān)注各個(gè)加工階段導(dǎo)軌梁在Y方向和Z方向的變形。而仿真結(jié)果顯示，導(dǎo)軌梁在X方向幾乎不產(chǎn)生變形，因此在后續(xù)分析中不予贅述。各加工階段Y方向和Z方向的整體變形情況如圖17 所示。

圖16 B 面網(wǎng)格劃分與坐標(biāo)建立Fig.16 Mesh generation and coordinate establishment of plane B

從圖17 可以看出，在加工導(dǎo)軌梁B面時(shí)，導(dǎo)軌梁遠(yuǎn)離A面一端一直存在向Y+方向偏移的變形，粗加工B面完成后，變形量為0.278 mm；半精加工完成后，變形量為0.391 mm，精加工完成后最終穩(wěn)定在了0.388 mm，說(shuō)明導(dǎo)軌梁的Y方向加工變形主要產(chǎn)生于粗加工階段，其余量去除比率超過(guò)50%以后，其遠(yuǎn)離A面一端Y方向的變形相對(duì)穩(wěn)定。而對(duì)于導(dǎo)軌梁Z方向上的變形，各個(gè)階段的變形量均小于0.1 mm，整體變形較小，其原因可能是相對(duì)于導(dǎo)軌梁在Z方向的尺寸B面去除的余量尺寸較小，B面的下方是筋板等結(jié)構(gòu)，能夠增加導(dǎo)軌梁在Z方向的強(qiáng)度來(lái)抵抗變形，雖然在加工過(guò)程中產(chǎn)生了Z方向的微小變形，但能通過(guò)加工余量來(lái)予以修正。

4 零件加工變形控制工藝方案

零件加工變形控制工藝方案主要針對(duì)區(qū)域加工順序、切削參數(shù)、工藝路線等3 個(gè)方面[10]。由于導(dǎo)軌梁的3 個(gè)加工區(qū)域A、B、C面都屬于較為平整的平面，故工藝路線較為簡(jiǎn)單，故延續(xù)粗加工-半精加工-精加工的工藝路線，主要針對(duì)前文劃分的殘余應(yīng)力測(cè)量區(qū)域進(jìn)行加工順序的調(diào)整。

4.1 A、C 面工藝優(yōu)化方案

A面以及與C面相連面為后續(xù)加工裝夾的基準(zhǔn)，如圖18 所示。因此對(duì)該面Z方向的加工變形要求較高。由3.2 節(jié)的仿真結(jié)果可知，原始工藝下，C面的區(qū)域10在最后一道工序完成后產(chǎn)生較大變形，且變形方向朝向已加工表面，若在導(dǎo)軌梁的后續(xù)加工中繼續(xù)以A面作為工序基準(zhǔn)，則會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)軌梁的加工精度，因此需要對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力獲取試驗(yàn)得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)，基于去應(yīng)力的加工思想，讓毛坯初始應(yīng)力盡早釋放，以便在加工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行逐階段修正，達(dá)到使實(shí)際加工變形量趨向于最小的目的。由于區(qū)域10 會(huì)在所有工序完成時(shí)產(chǎn)生Z負(fù)方向的變形，而理論上，在無(wú)約束條件下讓零件自由釋放，無(wú)論零件各部分材料的去除順序如何，最終零件產(chǎn)生的加工變形情況是近似的[11]，基于這一規(guī)律制定了導(dǎo)軌梁子結(jié)構(gòu)加工改進(jìn)工藝方案，該方案的主要思路是在A面精加工之前，提前完成C面的內(nèi)外側(cè)材料去除，使區(qū)域10 的變形得以釋放，而由于變形方向正好朝向A面一側(cè)，這樣就可以在精加工A面時(shí)，修正區(qū)域10 產(chǎn)生的翹曲變形，使其變形量達(dá)到最小，改進(jìn)后的工藝順序?yàn)椋?（1） 去除A面1.5 mm 余量； （2）去除A面1 mm 余量； （3）去除C面外側(cè)余量； （4）去除C面內(nèi)側(cè)余量； （5）去除A面0.5 mm 余量。A、C面Z向加工變形仿真結(jié)果如圖19 所示。

圖18 導(dǎo)軌梁裝夾方案Fig.18 Clamping scheme of guideway beam

圖19 工藝優(yōu)化后變形云圖Fig.19 Deformation diagram after process optimization

計(jì)算可得優(yōu)化后的工藝在C面內(nèi)側(cè)材料去除及精加工后變形量為0.081 mm（0.576 mm - 0.495 mm = 0.081 mm < 0.1 mm），遠(yuǎn)小于優(yōu)化前的變形量0.485 mm，滿足A面作為后續(xù)加工基準(zhǔn)的精度要求。

4.2 B 面工藝優(yōu)化方案

B平面上有導(dǎo)軌槽，故對(duì)Z方向的起伏及Y方向的變形較為敏感。由圖17 可知，舊有工藝產(chǎn)生加工變形小于B面要求精度，在此做進(jìn)一步的優(yōu)化。已知Y方向的加工變形主要體現(xiàn)在隨著X方向逐漸增大的正向變形，根據(jù)圖17 所示粗加工及精加工后B面Z方向的變形，為保證前一步應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形在后續(xù)加工步驟中被修復(fù)，采取先加工凸起區(qū)域后加工凹陷區(qū)域的方案，粗加工時(shí)加工區(qū)域順序?yàn)?-8-5-6-3-4-2-1；精加工時(shí)加工區(qū)域順序?yàn)?-8-6-5-2-4-3-1。

5 結(jié)論

導(dǎo)軌梁是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置的重要組成部分，在材料去除過(guò)程中的殘余應(yīng)力重分布是導(dǎo)致零件加工變形的主要原因。本文圍繞變形控制工藝方案優(yōu)化這一目的，對(duì)零件毛坯進(jìn)行測(cè)量并建模仿真模型，取得了如下成果。

（1）在不影響后續(xù)測(cè)量及仿真結(jié)果的前提下，刪除尺寸過(guò)小的特征及對(duì)于全局無(wú)影響的特征，建立零件的簡(jiǎn)化模型以減少仿真的計(jì)算量。

（2）根據(jù)零件特征、加工流程，將零件毛坯的3 個(gè)待加工面進(jìn)行區(qū)域劃分，每個(gè)區(qū)域取其形心處的殘余應(yīng)力近似為整體區(qū)域的殘余應(yīng)力。采用打孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，通過(guò)逐步剝層獲取各加工面6 mm 深度的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。

（3）分析A、B、C面各區(qū)域的殘余應(yīng)力值，A、B面殘余應(yīng)力幅值基本浮動(dòng)在200 MPa，C面的殘余應(yīng)力幅值在50 MPa 之內(nèi)。其中殘余應(yīng)力波動(dòng)較大或幅值較大的區(qū)域大多是兩特征面相交、曲率較大的部位。

（4）建立零件毛坯三維模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按區(qū)域?qū)霚y(cè)得的毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力數(shù)據(jù)。采用生死單元法模擬零件材料的去除，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力重分布規(guī)律和加工變形情況。

（5）分析3 個(gè)加工區(qū)域的加工變形仿真結(jié)果，根據(jù)每一步材料去除后的變形結(jié)果對(duì)現(xiàn)有工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，提出控制加工變形的加工順序。