基于数值分析的高精度曲面修型及补偿加工技术研究

基于数值分析的高精度曲面修型及补偿加工技术研究

贾茁

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市710089

[内容摘要]：本文针对高精度曲面数控加工过程中表面粗糙度、壁厚尺寸及形位公差难以保证的问题，开展基于数值分析的高精度曲面修型及补偿加工技术研究。以设计输入的工程要求为出发点，按照零件的表面质量要求以及零件结构的加工要求，通过理论建模、数值分析等方法，实现对零件加工状态的合理、准确预测，规避因零件加工状态不确定引起的产品质量问题。

关键词：数控加工；高精度曲面；数值分析；补偿加工

1 引言

飞机运动翼面滑轨零件的制造精度将直接影响飞机飞行姿态和服役寿命，影响在起飞、降落阶段的稳定性。对于大型运输机，为保证极限重载情况下的运动翼面滑行精度，作为连接和支撑运动翼面的滑轨零件要求具有高精度、高强度的特点。

例如，某型机零件选用材料为热处理后强度高达1670MPa 的30CrMnSiNi2A高强度钢，该材料导热性相对较差，铣削过程中容易出现粘刀、不易断屑的现象，造成刀具磨损大，加工精度难以保证的问题[1]。该零件共存在7处高精度圆柱面，需在1700mm长的圆柱面内保证0.04mm厚度公差（长厚比高达42500）、Ra0.4严苛的粗糙度、0.25mm的轮廓度公差及φ0.1的垂直度要求。

为满足以上对于零件的工程要求，实现全长范围内多要素控制下的超精密加工，现以该零件为研究对象，开展基于数值分析法的高精度曲面变形预测、修型及补偿方法，实现零件的精准制造。

2 基于数值分析方法优选加工参数

由于零件自身的高精度、高强度特点，需对刀具的规格及加工参数进行分析优选。刀具规格及加工参数确定流程见图1。

图1 刀具规格及加工参数确定流程

2.1高精度滑轨面加工刀具选型。

为保证高精度圆柱面（多达7处）切削完整性，圆柱面母线方向（刀具轴向）需一次加工到位。因此，将此7处高精度面按轴向切深分为两类：轴向切深130mm的大圆柱面及轴向切深小于35mm的小圆柱面。考虑零件加工稳定性，按刀具长径比4：1原则，大圆柱精度面选取直径32mm刀具加工，小圆柱面选取直径25mm刀具加工。

2.2高精度滑轨面加工参数优选

2.2.1基于粗糙度要求的切削参数数值分析。襟翼滑轨主要工作面，其表面粗糙度要求极高，远超常规机加表面粗糙度Ra3.2。选取粗糙度Ra0.4为切削参数重要控制因素。，参考立铣加工理论粗糙度公式：确定零件加工参数。其中Ra为零件表面粗糙度，f为每齿进给量，n为刀具转速，R为刀具半径。

2.2.2基于刀具切削长度的切削参数数值分析

为综合考察切削用量对刀具耐用度及加工后表面粗糙度的影响，拟进行正交试验[2]，依据前期刀具耐用度试验数据（见表1、表2），可得出刀具可持续加工长度L，与刀具转速n、每齿进给量f以及刀具切宽回归模型（因各规格加工刀具切深恒定，故未对切深进行变量试验）

表1 φ32规格刀具耐用度试验数据

为确保加工壁厚公差在0.04mm以内（远小于常规的0.4mm公差），过程稳定可控，加工过程中需采用同一把刀具对零件进行半精加工及精加工，以排除刀具尺寸差异对零件壁厚造成的影响。为此，需保证刀具可持续加工长度L﹥2×1.7m=3.4m。同时，为避免加工过程中出现突发状况，应预留1.5倍加工裕度，由此可推得刀具可持续加工长度L﹥5m。

小结：综合上述数值分析，经计算，最终优选φ32规格刀具加工转速n=180 r/min，每齿进给量f=0.05mm刀具切宽0.2mm；φ25规格刀具加工转速n=400 r/min，每齿进给量f=0.01mm，刀具切宽0.2mm。

3基于简化物理模型的多柔性体切削变形分析

表2 φ25规格刀具耐用度试验数据

按照上述的优选加工参数分析零件加工过程中的受力情况，并根据受力情况预测零件切削变形量。分析过程流程图见图2。

图2 形变量预测流程图

3.1 加工过程中的切削力分析

按照所选加工参数对零件加工过程中的受力状态及零件变形情况进行预估。参考《铣削30CrMnSiNi2A钢刀具耐用度影响研究》中切削力正交试验切削力模型

[3]，

其中为径向切削力，为切向切削力，为轴向切削力。由此可得加工过程中径向切削力、切向切削力；加工过程中径向切削力、切向切削力。加工零件过程中刀具与零件相对运动见图3，加工零件过程中刀具与零件相对运动见图4。

图3 图4

3.2受力简化模型的建立及变形量分析

在切削运动过程中，可将加工刀具简化为悬臂梁，刀尖方向为悬臂方向；将工件看作外伸梁，圆柱面与腹板相接处为外伸梁两处支点位置。简化后刀具与工件受力模型如图5和图6所示。

图5 刀具受力简化模型 图6 工件受力简化模型

在此模型下刀具的挠曲线方程为

其中q为单位载荷，l为载荷距离，E为材料的弹性模量，I为惯性矩。经计算在刀具刀尖点处刀具挠度最大，径向为0.008mm，切向为0.032mm。同理可计算得出此状态下工件最大挠度为0.025mm。

在切削运动过程中，刀具及工件均简化为悬臂梁，在此模型下，刀具与工件的挠曲线方程均为

通过多柔性体挠曲线方程，可计算出刀具在刀尖处挠度最大径向为0.0001mm，切向0.008mm（变形量可忽略）。工件最大挠度在筋顶位置，为0.013mm。

4、基于精度曲面重构方法的拟合加工技术

按上述零件加工状态及形变量分析结果，结合零件自身的工程要求，确定对零件加工轨迹是否需要进行补偿及补偿量，并根据补偿后点位进行轨迹拟合，确定零件加工的走刀路径。

4.1 大导轨圆柱面的轮廓度偏移分析

按上述零件加工状态分析可知，零件大导轨圆柱面径向偏差0.025mm，切向偏差0.032mm，综合偏差在0.04mm，按工程要求大导轨面轮廓度0.25mm评估，此偏差为公差带的1/6，可忽略不计；零件垂直度偏差不超过0.03mm，可满足零件φ0.1垂直度的工程要求。

综上所述，在大导轨圆柱面加工过程中，无需对加工轨迹进行额外偏移补偿，即可满足零件工程要求。

4.2 小导轨圆柱面的厚度偏移分析

小导轨圆柱面加工需保证零件厚度。由于两侧走刀方向相反，故切向偏移量叠加，零件加工后壁厚尺寸相差较大，无法满足零件0.04mm壁厚公差带要求，需对零件加工轨迹重新进行拟合。在零件上取横筋处特征点进行壁厚偏差量分析，选取特征点位置见图7，偏差量分析结果见表3。

图7 特征点位置

同时考虑到竖直方向工件与刀具挠曲变形及水平方向厚度偏差对工件最终壁造成的影响，需对偏差量进行法向补偿，以圆柱面与腹板面所交弧线的圆心点为原点，圆心点与圆弧面最远端连线为Y轴，垂直腹板面方向为Z轴建立坐标系，可得补偿后各个点位坐标（见表4）。

表3 特征点位偏差量

表4 补偿后各个点位坐标

依据补偿后点位建立回归曲线模型

回归曲线即为拟合后加工轨迹（如图8）

图8 拟合后加工轨迹

5 试验结论

（1）按照优选参数加工后，单把刀具精密加工长度超过了3.5m，加工后刀具无明显磨损，刀面磨损量小于0.1mm。

（2）大滑轨面加工时未进行拟合加工，零件实测大圆柱面垂直度为0.03mm-0.04mm，与理论分析值相差0-0.01mm，零件轮廓度为0.05mm-0.07mm，与理论轮廓度分析值相差0.01mm-0.03mm，理论分析值与实测值基本相符。

表5 理论分析值与加工实测值

（3）按拟合轨迹进行加工，零件实测壁厚尺寸与理论壁厚偏差0.02mm-0.03mm，可满足零件公差要求，理论分析值与实测值相符。

6 结束语

通过开展基于数值分析的高精度曲面修型及补偿加工技术研究，一方面解决了多要素协同精度控制难题，确保了飞机零件交付进度；另一方面，摆脱了传统机械加工依靠大量试切数据积累总结规律，依靠经验数据指导生产的方式。通过实验测试、理论建模、数值分析、轨迹拟合等方式对零件加工变形进行分析，通过加工前的理论分析指导零件加工过程，为零件变形控制寻找理论支撑。

本项目以设计输入的工程要求为出发点，按照零件的表面质量要求以及零件结构的加工要求，通过理论建模、数值分析等方法，优选出适合零件的切削参数，并依据优选参数进行零件试切加工验证。本项目设计的以加工表面质量及刀具寿命的切削参数优选方法可推广至各类机加零件中，对零件切削参数的选用具有指导意义。

参考文献

[1] 傅玉灿. 难加工材料高效加工技术[M]. 西安：西北工业大学出版社, 2010.

[2] 何为，薛卫东，唐斌. 优化实验设计方法及数据分析[M]. 北京：化学工业出版社, 2012.

[3] 张志刚，翟甲友，袁野，杨后川. 铣削30CrMnSiNi2A钢刀具耐用度影响研究[J]. 航空制造技术, 2012: 52-54.

1 / 7