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摘要：文章通過闡述薄壁結(jié)構(gòu)件，分析薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形，對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的有效控制提出“有限元仿真變形預(yù)測(cè)與控制”、“高精度加工裝夾具優(yōu)化”、“材料與工藝優(yōu)化”等方法，旨在為研究如何促進(jìn)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的順利開展提供一些思路。

關(guān)鍵詞：薄壁框狀結(jié)構(gòu)件；數(shù)控加工；變形；控制

0引言

在航空領(lǐng)域零件的數(shù)控加工中，變形控制是一項(xiàng)十分棘手的問題。因?yàn)楸”诹慵鄬?duì)剛度有限、加工去除量大以及加工工藝性不足，在數(shù)控加工中切削、刀具、裝夾等一系列因素影響下，使得切削力引發(fā)突變?cè)斐傻毒哳澱瘢M(jìn)一步發(fā)展成薄壁結(jié)構(gòu)變形，使加工難度不斷升高[1]。通過對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工工藝開展優(yōu)化革新，可促進(jìn)對(duì)變形量的有效控制。由此可見，對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的有效控制方法開展研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1薄壁結(jié)構(gòu)件概述

薄壁結(jié)構(gòu)件指的是由薄型板件、加強(qiáng)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。其中薄型板件包括有隔板、腹板、蒙皮等，加強(qiáng)構(gòu)件包括有緣條、桁條等。薄型板件與加強(qiáng)構(gòu)件的連接存在焊接、鉚接、混合等方式，并且以鉚接方式為主。上世紀(jì)30年代，薄壁結(jié)構(gòu)代替桿系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變成航空結(jié)構(gòu)的主要形式，在機(jī)身、機(jī)翼等機(jī)體中得到廣泛推廣。高速飛行器對(duì)蒙皮抵抗彎曲能力提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，因而在薄壁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了夾層結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)等型式。

2薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形分析

薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形分析。虛線框中為需要明確的加工前提，同樣是控制變形情況可調(diào)節(jié)的參數(shù)。對(duì)影響變形的相關(guān)因素展開分析，具體而言：其一，計(jì)算應(yīng)用各式各樣切削量、切削速度及進(jìn)給量等條件下的殘余應(yīng)力及變形情況，進(jìn)而獲取變形所受不同切削參數(shù)的影響，并從中篩選出優(yōu)化切削參數(shù)，在滿足加工精度的基礎(chǔ)上盡可能提高加工效率。其二，裝夾方案優(yōu)化。壓板數(shù)目、位置和夾緊力大小等，不論是哪項(xiàng)因素發(fā)生轉(zhuǎn)變均會(huì)使得有限元分析模型約束出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步致使零件變形的轉(zhuǎn)變。結(jié)合計(jì)算結(jié)構(gòu)制定相關(guān)優(yōu)化對(duì)策，諸如調(diào)整壓板數(shù)目、位置、加緊力大小等。其三，結(jié)合數(shù)控加工前材料熱處理及彎曲工藝，評(píng)估零件內(nèi)初始?xì)堄鄳?yīng)力分布狀況，模擬切削加工去除材料對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響情況。因?yàn)楂@取零件內(nèi)殘余應(yīng)力模型存在一定的難度，所以運(yùn)用有限元熱分析模塊簡(jiǎn)化模擬零件熱處理引起的溫度差，并借助ANSYS熱機(jī)械耦合功能獲取溫度差造成殘余應(yīng)力分布。這一模擬過程未有考慮熱沖擊、人工時(shí)效、相變應(yīng)力等因素，所以僅屬于定性模擬。本次構(gòu)建有限元模型屬于靜力學(xué)分析，依托載荷步動(dòng)態(tài)加載切削力，對(duì)加工各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬；材料去除選取單元生死技術(shù)模擬，防止從微觀層面評(píng)定單元分離標(biāo)準(zhǔn)，分析輸出為對(duì)零件變形、殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)。

3薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的有效控制方法

3.1有限元仿真變形預(yù)測(cè)與控制

近年來(lái)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的迅猛發(fā)展，使得有限元仿真技術(shù)在切削加工工藝?yán)碚撗芯恐械玫綇V泛推廣。和試驗(yàn)研究與理論分析相比較，有限元仿真技術(shù)可極大水平降低時(shí)間、成本投入，并可獲取經(jīng)由試驗(yàn)所無(wú)法得出的物理力學(xué)參數(shù)，諸如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等，所以應(yīng)用有限元仿真技術(shù)對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形問題開展研究控制，已然轉(zhuǎn)變成現(xiàn)階段研究的一大熱點(diǎn)方向[2]。首先，對(duì)于因毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力影響加工變形的預(yù)測(cè)與控制。一般情況下，加工零件變形包括有塑性變形、彈性變形、殘余應(yīng)力變形等。其中尤以殘余應(yīng)力為造成加工后零件變形的主要原因。殘余應(yīng)力指的是在無(wú)外力作用下，為了保持平衡狀態(tài)而存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。作為內(nèi)應(yīng)力的一種，殘余應(yīng)力的形成與不均勻塑性變形密切關(guān)聯(lián)，已引發(fā)塑性變形部分與未引發(fā)塑性變形部分相互影響，進(jìn)而產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)。在數(shù)控加工中，因?yàn)榱慵牧先コ沟迷練堄鄳?yīng)力平衡被打破，進(jìn)而引發(fā)零件變形。針對(duì)殘余應(yīng)力影響及變形預(yù)測(cè)，近年來(lái)研究人員展開了大量研究。例如，有研究人員在對(duì)整體結(jié)構(gòu)件加工變形問題的研究中，經(jīng)由有限元模擬研究得出，隔框零件加工變形受毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力很大程度影響。還有研究人員對(duì)毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、裝夾條件及銑削力等因素展開全面分析，構(gòu)建起多因素耦合影響的銑削加工變形有限元分析模型，并將其應(yīng)用于框狀零件數(shù)控加工變形預(yù)測(cè)中，收獲了良好的應(yīng)用成效。其次，對(duì)于加工過程中變形的預(yù)測(cè)與控制。相關(guān)研究人員針對(duì)鈦合金、鋁合金材料開展高速銑加工，在大變形理論及虛功原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建起切削加工環(huán)節(jié)的三維熱-彈塑性有限元模型，并借助該模型對(duì)鋁合金材料高速切削加工環(huán)節(jié)開展有限元模擬，分析了高速切削加工環(huán)節(jié)切削形成過程、三維銑削力的轉(zhuǎn)變情況，及應(yīng)力、溫度及加工表面殘余應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律。應(yīng)用對(duì)應(yīng)構(gòu)建的有限元模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工參數(shù)的有效優(yōu)化，進(jìn)而提高加工質(zhì)量、效率。即便應(yīng)用有限元仿真技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的有效預(yù)測(cè)，然而因?yàn)槟M中材料模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)件材料物理屬性存在相互不吻合的問題，并且在構(gòu)建模型過程中難以系統(tǒng)考慮各式各樣環(huán)境因素的影響，由此使得有限元模擬預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)相較于實(shí)際變形情況依舊存在一定差距。

3.2高精度加工裝夾具優(yōu)化

夾緊力是影響全面薄壁框狀結(jié)構(gòu)件變形的一項(xiàng)重要因素，結(jié)構(gòu)件在機(jī)床上的裝夾精度會(huì)很大程度上影響到機(jī)床加工精度。結(jié)構(gòu)件的加工尺寸、形狀誤差與裝夾具的穩(wěn)定性和剛度有著十分緊密的聯(lián)系，特別是對(duì)于弱剛度結(jié)構(gòu)件而言，夾緊力更容易引起變形。依托調(diào)節(jié)夾具元件所處部位或者加入相應(yīng)的夾具元件，可有效緩解變形的引發(fā)。伴隨對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件加工精度要求的越來(lái)越嚴(yán)苛，制定科學(xué)可行的裝夾方案越來(lái)越為研究人員所重視。例如，有研究人員薄壁結(jié)構(gòu)件裝夾變形展開了全面研究，針對(duì)變形的計(jì)算引入有限元仿真方法，研究制定了針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件裝夾方案的優(yōu)化原則，及對(duì)于裝夾變形的控制方法：其一，選取子問題優(yōu)化方法，即為對(duì)裝夾方案中裝夾部位予以優(yōu)化，進(jìn)而獲取各裝夾部位的最佳匹配。進(jìn)一步縮減裝夾變形。其二，選取滿足變夾緊力對(duì)應(yīng)曲線的力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件的夾持，并計(jì)算獲取常規(guī)零件在常規(guī)裝夾方案下的變夾緊力對(duì)應(yīng)曲線。還有研究人員全面提出了優(yōu)化選擇夾緊力作用點(diǎn)、大小及加緊步驟的相關(guān)方法，結(jié)合因?yàn)槟Σ亮σl(fā)的接觸力依賴性的特征，系統(tǒng)分析了各夾緊元件及其作用順序?qū)Ρ”诮Y(jié)構(gòu)件變形的影響，并構(gòu)建了裝夾方案的數(shù)學(xué)模型，還提出了以最小余能原理為前提的有限元求解方法[3]。除此之外，運(yùn)用某鋁合金航空材料薄壁結(jié)構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)得出，結(jié)構(gòu)件變形受夾緊力作用點(diǎn)、大小及夾緊步驟很大程度影響。另外，新型裝夾方式可有效確保薄壁結(jié)構(gòu)件的裝夾，例如，電控永磁吸盤是將強(qiáng)力稀土磁鋼朝X軸、Y軸依據(jù)N級(jí)、S級(jí)相互交替通過方格形式布置，進(jìn)而可形成強(qiáng)大的磁力，確保實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、穩(wěn)定及不易變形等功能，大多應(yīng)用于高速加工中。電控永磁吸盤應(yīng)用。推進(jìn)裝夾方案的有效優(yōu)化，對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件加工來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，要求不斷深入開展對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件跟蹤刀具軌跡智能裝夾系統(tǒng)及應(yīng)力均布裝夾系統(tǒng)的研究，且不論是在理論層面還是實(shí)踐層面均有待不斷加強(qiáng)。

3.3材料與工藝優(yōu)化

有研究人員經(jīng)由對(duì)大型薄壁結(jié)構(gòu)件加工過程開展變形、殘余應(yīng)力分布研究，得出下述結(jié)論：其一，在將數(shù)控加工劃分成精加工、粗加工兩個(gè)過程中，如果將精加工毛坯定位于粗加工毛坯中心位置，則有助于縮減加工變形，并且結(jié)構(gòu)件變形與粗加工毛坯厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其二，經(jīng)由粗加工去除上下表面對(duì)應(yīng)獲取的精加工毛坯，其內(nèi)部殘余應(yīng)力相較于未經(jīng)過粗加工的毛坯分布要均勻，應(yīng)力值也更小，且殘余應(yīng)力值與粗加工毛坯厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其三，在結(jié)構(gòu)件加工時(shí)，伴隨零件底板剩余厚度的不斷縮減，可將變形劃分成變形增大與變形減小兩個(gè)過程，于此期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使結(jié)構(gòu)件變形最大的臨界點(diǎn)，針對(duì)該臨界點(diǎn)通過運(yùn)用有效處理手段體有效縮減結(jié)構(gòu)件的變形。還有研究人員在ANSYS有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出在精加工數(shù)控編程過程中，將刀具在原本走刀軌跡上結(jié)合變形水平附加一個(gè)偏置，即為對(duì)由于變形而形成的讓刀量予以補(bǔ)償，如此一來(lái)，可極大水平縮減讓刀誤差。薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控刀具路徑優(yōu)化。還有研究人員在給定毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力及裝夾前提下，借助有限元仿真技術(shù)，對(duì)各式各樣銑削加工走刀路徑對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件加工變形精度的影響展開了模擬，研究結(jié)果顯示，運(yùn)用雙面環(huán)切工藝可促進(jìn)銑削表層殘余應(yīng)力始終保持平衡狀態(tài)，進(jìn)而可有效縮減加工期間薄壁結(jié)構(gòu)件的扭曲變形，切實(shí)提高型面的加工精度[5]。除此之外，相較于運(yùn)用單面銑削工藝，通過運(yùn)用雙面銑削工藝，可實(shí)現(xiàn)薄壁葉片葉尖區(qū)域沿厚度方向最大數(shù)控加工誤差的有效降低。值得一提的是，針對(duì)航空航天結(jié)構(gòu)件制造中較常應(yīng)用的鈦合金、鋁合金等材料，由于材料存在較大的內(nèi)應(yīng)力及變形傾向，因而，在進(jìn)行完粗加工后，可結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)添加自然時(shí)效或者人工時(shí)效工序，等到應(yīng)力充分釋放后再開展精加工。

4結(jié)束語(yǔ)

總而言之，薄壁框狀結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工中往往會(huì)發(fā)生變形情況，依托對(duì)變形相關(guān)影響因素的分析，以研究控制變形的方法，總結(jié)出薄壁結(jié)構(gòu)件加工方法選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)變形量的有效控制，對(duì)于面向航空航天領(lǐng)域的薄壁結(jié)構(gòu)件工藝選擇分析有著十分重要的指導(dǎo)價(jià)值。因而，相關(guān)人員必須要加大研究分析力度，提高對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件內(nèi)涵特征的有效認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形情況的深入分析，“有限元仿真變形預(yù)測(cè)與控制”、“高精度加工裝夾具優(yōu)化”、“材料與工藝優(yōu)化”等，切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁框狀結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的有效控制。

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作者:何為 單位:四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院