复杂薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术研究

0 前言 现代航空、航天、兵器等国防工业领域的高性能 转子零件广泛采用复杂薄壁结构, 其精度要求越来越 高。复杂薄壁零件高效精密数控加工技术水平已成为 衡量一个国家先进制造技术水平的主要标志之一, 也 是提高现代先进制造企业核心技术竞争力的重要方式 之一。传统的 CAM 辅助 制造系 统在 确定切 削策 略和 刀位轨迹计算时, 一 般仅基于 零件 的理论 几何 形状, [ 1] 而不考虑诸如工件刀具变形等因素的影响 , 因此必 然导致实际加工表面与理论值之间存在较大偏差。误 差补偿技术自提出以来, 已经广泛用于提高数控机床 [2 , 3] 的加工精度 。通过分析各 种不同 的误差 来源 及其 变化规律, 建立适当的误差模型, 进而有效克服热变 形、切削力变形等数控机床加工误差因素的影响。 航空发动 机 核心 零件 如 整体 叶 盘、大 小 叶片 转 子、离心叶轮、压气机风扇叶片等是典型的复杂薄壁 结 构 零 件 且 广 泛 采 用 高 强 比 材 料 ( 钛、镍 基 合 金 等 ), 以达到减轻 结 构 重量、 提高 结 构效 率 的目 的。 从切削加工角度看, 此类薄壁零件具有外形复杂、叶 型厚度薄、刚性差, 加工刀具切削力较大的特点。这 意味着强切削力作用下工件变形是影响数控加工精度 的主要原因。此外, 工件表层残余应力可能引起相当 大的扭曲 变形, 对加 工精 度 具有 不容 忽视 的 影响 作 用, 特别是对航空薄壁结构件的影响更大。 本文首先简要分析了数控机床加工误差的主要来 源, 然后着重讨论了有关切削力、残余应力的建模方
法及其对工件加工变形的影响作用, 并提出具体的加 工变形误差补偿方案。
1 加工误差来源分析 数控机床切削加 工误 差的主 要来源 如图 1 所示。 近些年来, 大量研究工作致力于如何确定并有效消除 所有这些误差来源。一方面, 随着设计方法的改进和 新材料技术的运用, 先进数控加工设备可以达到很高 的刚度和精确 的运动 控制; 另 一方 面, 机床热 变形、 切削力变形等导致的加工误差却不是仅仅通过改进机 床结构设计就可以完全避免的, 这在很大程度上限制 了数控机床的加工精度和质量。这些问题在切削加工 复杂薄壁件的过程中尤其显著。实时在线控制法和刀 位轨迹预修正法是两种常用的误差补偿实施方案。利 用误差补偿技术, 中等精度机床也可加工出高精度的 [ 4] 零件 。
图 2 球头铣刀微分 切削力示意图
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2 切削力建模 切削力信息对 于工艺 参数优 化、加工 变形 控制、 夹具设计、刀具磨损监测以及机床系统颤振拟制等方 面具有非常重要的意义。近年来, 国内外学者就如何 建立准确的切削力预报模型给予了极大关注。现有的 切削力建模方法主 要有: ( 1) 完 全经验 模型; ( 2) 基于 实验的机 械力学 模型; ( 3) 基于切 削机理 的物 理模型; ( 4) 基于人工智能的神经网络模型等。 Bec [ 5] ze和 E lbestaw i 根据 A IS I D 2 工 具 钢 锯齿 状 切 屑 形 貌, 给出应变、应变率与切削速度、进给率之间的函 数关系, 主剪切区剪 应力 采用 Johnson - Cook 本 构方 程描述, 进而建立斜刃切削力解析模型。基于任何复 杂切削过程都是沿 着切削 刃上许 多正 /斜交 切削 微段 的合成的假设, 可以对铣削刀具几何进行轴向切片微 分简化处理。微段铣削力大小是切削微元面积和单位 [ 6] [ 7] 切 削力 的乘 积。 G rad i ek 和 A zee m 分 别提 出了 确 定单位切削力模型系数的简单、有效的方法。 球头刀具在多轴铣削加工自由曲面的过程中, 刀 具与工件之间的接触面积以及未变形切屑几何形状会 [ 8] 不断改变。 K m i 等 运用 Z- m ap方 法确定 刀具 与工 件的接触面积, 并比较接触面积和切削刃段在刀具平 面上的相对投影位置, 进而识别任意微元刃段是否参 [ 9] 与切 削。 Bou zak is 等 开 发 了 铣 削 过 程 仿 真 算 法 BALL M ILL, 根据初始工件的几何信息、刀具路径 NC 编码以及刀具几何信息等, 此算法可对切削条件和铣 削运动进行优化, 从而控制切削力大小和加工表面粗 糙度。为了预测五轴铣削自由曲面情形下的切削力大 [ 10] 小, Lazoglu 将工件和 刀具 划分 成许 多 微小 单元 以 确定瞬时三维切削区域, 并结合布尔运算模拟加工表
Abstrac t : A eroeng ine b lisk and b lades w ide ly use th in- w alled parts T he cutting fo rce and residua l stress have considerab le in fluence on the d istortion o f thin- w alled parts A ch iev ing the r ight profile in such pa rts increasing ly depends on the accurate m ode ling of cutting force and residua l stress and the physical si m ulation o fm ach in ing pro cess The cutting fo rce m odeling m ethodes and the res idua l stress distr ibution we re discussed A feasib le accu racy N C m ach in ing sche m e co m po sed of opti m ization m ethods fo r cutting strategy , tool path , and the contro l and compensation of m ach ining defor m ation w as proposed K eyword s : Cutting fo rce ; R esidua l stress ; M achining defor m ation; E rror co m pensa tion
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面形貌、残留扇高等。 本文将刀刃上任一点处所受到的微元切削力分解 成三个分量, 分 别为 微分 切向 分力 df t、微 分径 向分 力 dfr 和微分轴向分力 dfa, 如图 2中所示。此三个分 力又可进一 步 分解 为刀 面剪 力 分量 和刀 腹犁 入 力分 量。即有以下形式: dft = kts dA c + ktp ds dfr = kr s dA c + k rp ds ( 1) dfa = kas dA c + kap ds 式中: k* s是三个分量 的单位剪 力系数; k* p 是 三个分 量的单位 犁入 力系数; ds 是 离 散之 后的 微分 螺 旋曲 线刀刃的长度。 给 定刀具几何 参数 以及其它 切削条 件, 只 要进一步确 定未知 的单 位切削力 系数, 则 沿各 刀齿对微元 切削力 进行 积分, 即可 得出总 切削 力大小的预报模型。
3 工件切削表层残余应力分布 工件加工表层残余应力的存在严重影响其疲劳强 度和使用性能, 残余应力引起的扭曲变形也会显著降 低工件加工精度, 特别是对于航空工业中普遍使用的 薄壁结构影响更大。如何准确预测、控制工件表层残 余应力和扭曲变形, 改善加工表面完整性以及提高数 控加工精度, 一直是精密、超精密切削领域重要的研 究课题。 [11] 运用热弹塑性大变形有限 元方法, L in 等 模拟 了不同切削速度、切削深度条件下 N iP 合金超精密切 削表层残余应力的分布规律, 发现沿工件表层深度方 向残余压应力先增大到一定值后开始减小, 出现最大 残余压应力的位置随着切削深度的增加 而加深。 El[ 12] A x ir 研究了材料的拉伸强度以及切削速度、进给率 对工件车削表层残余应力分布规律的影响, 认为工件 表层残余应力沿深度方向符合多项式函数分布。利用 [13] 测定残余 应力 的钻盲 孔法, Sridh ar 等 分 析了 铣削 加工钛合金 I M I- 834时 工件表 层残 余应力 的分 布状 况。研究结 果 表明, 对 于 所选 用的 切 削参 数 范 围而 言, 工件表层残余应力基本上处于压应力状态, 文中 同时确定了在不影响材料微观组织结构和机械性能前 提下的消除残余应力的最佳热处理工艺温度。 4 数控加工变形误差控制、 补偿方案 解决复杂薄壁零件高效精密数控加工关键技术主 要涉及以下两个方面: 一是 五坐标 NC 编程与 防干涉 技术。包括通道分析、通道加工对接域确定、最佳刀 轴矢量确定、刀轴矢量光顺以及刀位轨迹生成和验证 等。二是切削过程物理仿真与变形误差补偿技术。包
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形规律的基础上, 通过优化切削参数, 进而修正原始 刀位轨迹以克服工件变形误差, 是实现复杂薄壁类零 件高效精密数控加工技术的有效途径。图 5为应用本 项研究成果研制的航空发动机压气机轴流叶盘转子样 件。
A Schem e for the C ompensation of D eform ation E rror in NC M ach in ing of Th in - walled Com p lex Parts
WANG Z engq iang, M ENG X iaox ian , REN Junxue , HU Chuangguo ( Northw estern Po ly technical Un iv ersity, X i an 710072 , Ch in a)
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复杂薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术研究
王增强, 孟晓娴, 任军学, 胡创国
(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室, 陕西西安 710072)
摘要 : 高性能航空发动机 整体叶盘、大小叶片转子、离心叶轮、叶片等零 件广泛采用 钛合金薄壁 结构。加工过 程中的 切削力、残余应力将产生零件加工变形 及加工误差。本文重点讨论了薄壁零件加工 过程中的 切削力建模 和工件加工 表层残 余应力的分布规律 , 提出了对叶盘零件 加工变形误差的补偿方案。通过建立 精确的切削 力、残余应力 预报模型 , 对 切削加 工过程进行力学仿真 , 优化切 削参数、补偿刀位轨迹 , 进而实现薄壁结构叶盘零件的精密数控加工。 关键词 : 切削力 ; 残余应力 ; 加工变形 ; 误差补偿 中图分类号 : V 261 文献标识码 : A 文章编号 : 1001- 3881 ( 2006) 4- 061- 3
图 1 数控机床加工误差的主要分布
在传统机械加工中, 被加工零件的刚度足够, 其
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受力变 形很 小或无 变形, 我们 称作 为 # 刚性 零 件 ∃; 加工过程中所采用的刀具受力变形很小或变形可以忽 视不计, 我们称作为 # 刚性刀 具 ∃。采用 刚性刀 具加 工刚性零件, 我们认为刀具切削零件时, 被切削表面 加工精确, 没有 误 差, 这 种加 工 我们 称 作为 # 刚 性 加工 ∃。在刚性加工 中, 工件不 存在加工 受力变 形问 题。 复杂薄壁零件采用叶片悬壁结构, 叶型表面加工 容易引起受力变形。叶盘通道窄而深, 加工采用的刀 具细而长, 加工过程中, 刀具受力容易产生变形。这 两种变形, 常常引起叶型表面加工不到位, 与设计数 据存在一定的误差。如果不消除这种误差, 加工的复 杂薄壁零件达不到设计要求, 加工的零件就不是合格 零件。如果用这种零件做试验, 试验结果就不能反映 设计性能要求。如果将这种零件安装到发动机上, 工 作性能就无法满足设计要求。为了加工出合格复杂薄 壁零件必须对复杂薄壁零件的受力变形量进行精确计 算和预先补偿消除。