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薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术研究

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：秦杰1 王志刚2 张雨前3

[导读] 摘要：由于目前大多数零件加工模式，普遍使用的是钛合金的薄壁零件结构模式，加上实际零件加工过程中自身切削力、残余应力将生产的零件加工形变，以及零件加工误差进行综合讨论。

        （1、中国航发长江动力有限公司湖南岳阳 414000；2、岳阳正鑫精密制造科技有限公司湖南岳阳 414000；3、岳阳正鑫精密制造科技有限公司湖南岳阳 414000）
        摘要：由于目前大多数零件加工模式，普遍使用的是钛合金的薄壁零件结构模式，加上实际零件加工过程中自身切削力、残余应力将生产的零件加工形变，以及零件加工误差进行综合讨论。本文首先阐述了数控加工变形误差原因分析，并且根据薄壁零件数控加工模型的建立，总结出目前数控加工变形误差补偿技术研究。
        关键词：薄壁零件；数控加工；变形误差控制；数据模型
        现阶段我国现代化航空航天、军事兵器等国防军事领域普遍适用高性能、高功能的转子零件，其精准程度的要求越来越高。因此薄壁零件数控加工技术已经成为衡量国家军事能力和综合素质的重要标志之一。
        一、数控加工变形误差原因分析
        由于航空航天发动机结构中的核心零件属于典型复杂薄壁结构零件，比如：整体结构叶盘、大小结构叶片转子、压气设备中的风扇叶片等相关零件。同时为了保障发动机结构运转的稳定性，所有的结构零件需要广泛的使用高强度材质比的结构材料，比如：钛材质、镍材质为中心的合金物质等。然而发动机设备结构中，从切削的加工角度来看，这样的零件组成行使和加工技术自身具有外部形态较为复杂，叶片形态整体厚度较薄、整体结构刚性差等特点。这就代表着如果设备在高强度削切作用力下，工作零件的形变会成为影响数控加工技术变形的主要原因，另外，工作零件表层会残留一定程度的应力，严重甚至会导致大规模的形变扭曲，对于零件的加工精准度产生了不容小视的影响力，尤其对航空整体结构中，薄壁零件的影响更大。对于薄壁零件来说，数控机床的加工变形误差主要体现在机床的加工流程比较复杂，如果操作人员没有较高的专业技术，那么极易出现加工形变误差，如图1数控机床误差原因[1]。

                    图1 数控机床误差原因
        第一，随着我国科学技术的不断发展，相关的科学技术设计方法不断改进，同时由于薄壁零件生产过程中，不断运用新材料、新技术，致使数控加工技术和相应的加工设备，已经可以有效的达到对零件生产的刚度掌控。第二，经过技术人员不断的进行技术革新和完善，数控加工变形误差控制已经初见成效，但是设备运转时，机床发热变形、切削力导致零件形变等加工方法所产生的零件误差，也极大的限制了数控机床在产品生产时，零件加工的精准度、产品质量以及生产效率。为了有效的解决这一问题，技术人员通过采用数据误差补偿技术，以此实现中等精准程度的机床完成高精准度的零件生产。
        在传统设备和机械的加工过程中，如果被加工的零件自身结构刚度足够，气自身受力产生形变数据很小或者没有形变数据，则被称为刚性零件，而在零件加工过程中，所使用过的加工刀具经过受力后产生的形变较小，或者产生的形变数值可以忽略不计，技术人员称为此种刀具位刚性刀具。当使用刚性刀具针对刚性零件进行加工时，此时加工切削的零件表面的误差较小，甚至会得到零误差，此种加工方式被称为刚性加工，而在刚性加工技术下，所生产的零件不存在压力形变的问题[2]。但是薄壁零件结构采用的是比较复杂的叶片悬壁结构模式，导致叶片型态表面在实际设备加工时，非常容易因加工压力过大而产生形变。加上薄壁零件内部结构中，叶盘所处通道十分窄小，同时通道深度较深，因此在整体零件加工时，需要使用细且长的加工刀具，而在整体零件加工过程中，由于道具自身的长度较高，极易出现形变问题，最终致使叶片形态的表面加工不能符合要求，与预期的加工数据存在一定的误差。一旦零件生产中产生了数据误差不能及时处理，所加工的薄壁零件无法达到设计的实际要求，那么所加工的零件属于不合格零件。为了减少薄壁零件生产过程中，产生的数据误差，就必须针对薄壁零件的最高受力形变量进行精准的数据计算，以此作为理论基础进行生产的预先数据补偿消除。
        二、薄壁零件数控加工模型建立
        （一）数据模型建立
        由于设备加工过程中，切削力的数据信息对于加工工艺系数的参数优化、零件加工形变控制、设备夹具结构设计、刀具磨损数据检测技术以及机床运行振颤模拟技术等方面，都具有重大意义，因此近几年国内和国外的研究人员对于切削力模型的准确建立，进行着重关注和重视。根据坚持不懈的技术研究，针对切削力建模方式进行总结，其中包括；完全经验模型、机械力学模型、削切物理模型以及人工互联网智能网络模型等方式。经过多次的数据试验，最终总结出，球形刀具在进行薄壁零件的自由面多轴削切加工中，刀具和工业生产零件的接触面积会根据还未形变的切屑几何形状发生改变，并且在实际零件生产过程中，相比较零件接触面积与切削面在刀具结构平面上的相对占比面积，从而区分出任何微元刀刃段是否参与切削生产。在进行切削技术测试过程中，bouzakis技术有效的开发出零件进行切削过程中，所设计到的数据仿真计算方法，并且根据原始工业零件生产的几何数据信息、刀具生产过程中，行走路径NC编码以及刀具生产的集合信息等。bouzakis技术可以有效的对零件生产和设备切削运动进行结构优化和完善，从而从根本上控制刀具切削总力量的数值大小，以及零件加工后，表面的粗糙程度[3]。

        其中公式结构中K*s是三个分量的单位内剪力系数，K*P是三个分量的单位内犁入系数，而ds则是系数离散之后，产生的微分螺旋曲线刀刃的总体长度。在实际刀刃进行相关操作时，技术人员应该根据刀具所呈现的几何数据以及其他外在因素的切削条件，进一步确认暂时未知名的单位切削力系数，同时在实际测试过程中，需要沿着刀刃的齿距对微元切削力进行相应数据的积分，以此获得总体切削力的预先模型。
        三、数控加工变形误差补偿技术研究
        （一）零件加工变形误差补偿类型
        对于薄壁零件数控加工变形误差的补偿方法，主要分为离线主动补偿法与在线自动适应补偿法。其中在线自动适应补偿法主要指的是，刀刃加工零件的过程中，针对工程零件切削力形变的数据测量，并且根据实际的测量数据结果进行NC程序的实时修改。其中切削技术对数控系统和机床加工设备的要求较高，而在实际加工和应用中也经常收到机床的结构控制。而离线主动补偿法主要指的是，在工件实际加工和生产之前，技术人员需要根据工件形变数据的预测结果，建立加工误差补偿相关的数据模型，随后根据所建立的补偿模型，对CAD和CAM系统生成的刀刃运动轨迹进行相应的修改，以此实现数据补偿的目的。由于零件加工的实际应用具有应用范围广泛、适应能力强、零件制造成本较低，因此技术人员将使用离线主动补偿法进行工件切削力产生形变进行补偿[4]。
        （二）零件加工变形误差补偿思路
        针对于薄壁零件数控加工误差补偿程序进行相关研究，是目前许多研究人员的最终目标和主要目的，此次模拟数据研究主要针对数控加工系统中，刀位轨迹的行进状态。同时数控加工系统中，刀位轨迹可以通过后置技术进行处理，最终生成可以直接进行驱动的机床NC代码，但是与此不同的是机床自身存在着NC指令系统，其后置处理运算的是方法也各不相同。因此，技术人员针对后置处置系统生成的NC生成的代码将不作相关技术讨论。随着CAM软件的研发和应用，所生成的刀位轨迹文件将转化成机床可以识别的NC代码也相对简单。
        （三）零件加工变形误差补偿计算
        薄壁零件在刀刃切削力的作用力下，会产生一定的加工形变，最终致使刀刃和部分生产材料产生残留现象，当零件加工结束后，工件形变会产生一定量的弹性回复，最终产生误工数据的误差[5]。为了有效的解决零件加工数据误差，其主要关键技术主要涉及以下几个方面。
        第一，设备系统中数据坐标NC编程功能与干涉技术的应用，其中包含设备技术通道分析、技术加工通道对接区域的确定以及刀片位置轨迹所生成数据，以及数据验证等方面。第二，在刀片进行切削过程中，需要进行物理模拟与刀口变形数据误差补偿技术的使用，其中包含了高速切削设备的物理性探索、刀口切削力数据建模以及设备残余应力的数据预测等方面。
        由于目前的零件加工技术效率较低，并且无法保证其质量，为此技术人员应该从几个方面进行技术提升。
        第一，深入研究零件材料高速切削原理，以此建立切削数据参数、相应的切削应力大小、零件加工表层残余应力数据以及残余应力与其分布状态之间的联系。第二，零件加工过程中，将切削力和零件残余应力的相关数据信息，详细的输入至零件加工的有限元模型之中，随后模拟刀口切削过程中的相关系数，并且分析不同程度的切削参数和刀口变化的变形规律。第三，模型建立后需要使用相应的体积单元，表示零件实际的形变状态，并且根据刀口运行轨迹建立三维空间进行布尔运算，从而得到材料真实切削的过程。第四，模型和运算完成后需要技术人员针对零件加工后其产生的形变数据，估算加工数据误差，以此计算出刀位实际的补偿数据量，最终完善原始数据内，刀位运行轨迹数据。
        结束语：
        由此可见，依靠传统技术薄壁零件数控加工技术，已经难以满足当下我国对其技术水平的总体要求，同时在实际生产过程中，也难以保证零件加工的精准度和质量，所以技术人员应该不断进行科技改革，保证薄壁零件数控加工变形误差得以控制。
        参考文献：
        [1]闫培泽. 异形回转零件数控加工变形误差控制仿真[J]. 计算机仿真, 2018, 35(09):217-220.
        [2]尹子兵. 薄壁零件数控加工工艺优化方法[J]. 内燃机与配件, 2018, 000(023):P.124-125.
        [3]康庚. 航空薄壁机匣零件车削加工变形预测及补偿[J]. 信息周刊, 2018(30):162-162.
        [4]缪伟民. 整体薄壁结构件数控加工变形控制技术进展[J]. 机械制造, 2018, 56(003):1-3,27.
        [5]罗伟光. 薄壁零件数控加工工艺质量改进策略研究[J]. 山东工业技术, 2018, No.268(14):48-49.