數控加工變形控制策略 目錄 1引言2影響數控加工變形原因3數控加工變形控制關鍵技術4工件殘余應力穩定化處理5增強工件加工過程剛性6數控編程及切削參數優化技術7裝夾系統優化技術8高速切削技術9物理仿真技術10加工后校形技術 1 引言 數控加工技術已經成為航空航天產品制造的關鍵技術之一 航空航天產品中有大量金屬薄壁件 并向重量輕 精度高 結構復雜方向發展 例如飛機壁板 肋 梁 框 緣條 長絎以及座艙蓋骨架等 而金屬薄壁件的加工中存在裝夾困難 容易變形 加工精度難以保證等問題 故金屬薄壁件的加工工藝技術成為難點 如何使其加工工藝變得簡單化 較好地控制變形 并高效率 高質量 低成本完成加工 成為數控加工工藝技術發展的一個重點 影響數控加工變形原因分析 2 影響數控加工變形原因 數控編程及切削參數優化技術 裝夾系統優化技術 增強工件加工過程剛性技術 物理仿真與變形誤差補償技術 數控高速加工技術 數控加工變形控制關鍵技術 工件殘余應力穩定化處理技術 加工后校形技術 3 數控加工變形控制關鍵技術 4 2坯料冷鐓及校平工藝如果翼類件采用的是鋁合金材料鍛件坯塊 采用獨特的 冷鐓 工藝 即鍛打鍛件坯塊的兩面 使其坯塊在厚度方向上減薄5 8 使鍛件毛坯產生預緊壓應力 對減少工件加工變形效果明顯 如果采用的是板料 經過下料加工后難免產生變形 可將板料放在平的橡膠或木墩上 用膠皮鎯頭進行局部校形 或用橡膠板對板料反復翻面進行拍打 這些方法對于翼類件加工前毛坯的準備十分必要 4 3振動時效振動時效在國外稱VSR VibratoryStressRelief 振動時效對于消除 均化和減小金屬構件的殘余應力 提高工件抗動載荷變形能力 穩定構件尺寸精度有比較好的效果 目前針對重量較輕的薄壁零件 多采用智能型多級振動時效工藝和超聲振動工藝 采用鋁合金VSR多級振動時效消除應力工藝技術 勻化和消除鑄鋁件材料內應力和切削加工產生的內應力 穩定工件尺寸精度 縮短加工周期 振動時效的實質是以共振的形式給工件施加附加動應力 當附加動應力與殘余應力疊加后 達到或超過材料的屈服極限時 工件發生微觀或宏觀塑性變形 從而降低和均化工件內部的殘余應力 并使其尺寸精度達到穩定 多級振動時效技術是在傳統振動時效技術的基礎上 自動捕捉工件3 5個亞共振頻率 更徹底消除和均化工件內部殘余應力 特別是對重量較輕的工件 多級振動時效技術尤其適合 4 4人工時效與自然時效消除應力有自然時效 熱時效 振動時效 靜態過載時效 爆炸時效 超聲沖擊振動時效 循環加載時效等 雖然都有優缺點 但都在一定程度上達到消除和均化的目的 工件變形問題可以通過切削去大部分加工余量后 再進行人工時效處理或較長時間的自然時效 均可有效的解決 因此 只要注意工藝安排及時效處理即可解決 批生產時可利用工件加工的輪回時間間隙 進行自然時效 自然時效最短時間一般不得少于72小時 4 5冷熱循環時效處理冷熱循環時效處理在小中型鋁材料薄壁零件加工應用比較廣泛 特別是攝式 50 C 90 C的深冷冰柜應用 使得其工藝比在專用容器 保溫 隔熱 里加入一定量的液氮進行深冷處理 更具有實用性和可操作性 如下圖是某鋁合金的薄壁件采用的冷熱循環時效處理參數 結果表明高低溫循環處理對消除鋁合金件的殘余應力 改善材料的切削加工性能 減少切削加工變形有明顯的效果 石膏填料 低熔點合金 工藝凸臺 胎具工裝 增強工件剛性 5 增強工件加工過程剛性 增強零件剛性和緊固零件方法有多種 具體有 1 澆灌石臘 2 澆灌石膏 3 應用低熔合金 此外還應用明礬 低熔塑料 在其它零件加工中 還有用硫磺 松香 牙托粉等材料的情況 俄羅斯近幾年使用一種尿素樹脂聚合物 作為增強零件剛性的材料 該聚合物是由96 的尿素樹脂和4 的硫酸鉀組成 熔融溫度為134 140 C 固化迅速 剛性好 粘結力強 溶解速度快 價格便宜 可局部或整體地增強非剛性零件的剛性 加工完畢后 把零件加熱或放入水中 聚合物可自行與零件脫開 5 1工藝凸臺應用 在大型復雜結構件的數控加工中 應廣泛采用工藝凸臺裝夾策略 并根據產品工藝特點 設計不同類型的裝夾工藝凸臺 工藝搭子 和輔助支撐 并利用輔助支撐強化切削點的剛性以減少因彈性變形而引起的精度誤差 使工件加工具有良好的開敞性 無須考慮刀具和余料的碰撞 排屑更加方便 也有利于應力釋放 5 2石膏填料在薄壁件加工中應用 石膏作為填料增強薄壁結構件工藝剛性 是一種非常經濟實用的方法 其要點是要在加工時 設計工藝腔體或人為圍成腔體 一次將一個面加工成型 澆上石膏 經快速固化后 修平基準即可使用 目前石膏填料工藝方法已在航空大型薄壁結構件中大量使用 填石膏的工件表面必須涂刷防銹油以防銹蝕 在填石膏的工件表面盡可能鋪一層油封紙 或塑料薄膜 另外 由于石膏凝固時產生熱量 對于深腔體工件必須分幾次填入石膏 5 3低熔點合金應用 采用低熔點合金 LowMeltingAlloy 類似鑄造原理 將低熔點填料填充在工件腔體或人為設計的工藝腔體之中 使零件成為實心剛性體 由于零件剛性提高 同時可以提供了裝夾面和定位基準面 裝夾及找正方便 使得零件的加工工藝性大大改善 加工精度提高 加工完畢 加熱使低熔點合金或低熔點填料熔化 倒出 回收即可 填料可重復使用 由于加熱溫度低 不會影響零件的材料狀態 也不會引起零件的變形 不損傷零件 最終得到高精度的復雜薄壁零件 低熔點合金配制 低熔點合金的熔化溫度可配置成47 C 262 C 可通過幾種常用合金元素不同配比獲得 鉍 Bi 鉛 Pb 錫 Sn 銦 In 銻 Sb 等幾種金屬元素是比較理想的低熔點合金組分 錫熔點231 9 C 鉛熔點為327 4 C 銻熔點為630 5 C 銦熔點為156 6 C 具有熱縮冷脹性質 但價高 鉍熔點為271 3 C 密度為9 75 無毒無害 并具有熱縮冷脹特性 鉍同鉛 錫 銻 銦等金屬組成的二元 三元 四元 五元合金 改變這些金屬在合金中所占的百分比 就可獲得47 C 262 C熔點和不同物理性質的合金 因共晶合金中的晶格發生畸變 就不像原始的那么穩定了 要破壞它們之間的化學鍵 需要的能量就很少 即熔點會降低 鉍基合金低熔點合金在實用性 經濟性較好 同時利用冷凝時不收縮的特性 可作為填料加工高精度薄壁工件 以鉍 Bi 金屬為主要成分 逐漸加入鉛 Pb 錫 Sn 銻 Sb 等幾種金屬元素 并不斷改變含量 得到所需要的低熔點合金 例 鉍 Bi 41 鉛 Pb 30 錫 Sn 20 銻 Sb 9 進行配比 得到了熔點為70 C的合金 實物如圖1所示 該鉍基合金低熔點共晶合金 密度為9 4g cm3 該合金很容易鑄型 而且一旦凝固即可使用 用熱水 熱油浸泡或低溫烘烤 可很容易將其從型模 鑄模 固定夾具或零件中清除并回收 可多次使用 低熔點合金實物及加熱方法如圖所示 實物及加熱方法圖 低熔點合金在薄壁腔體加工中應用 典型薄壁盒體零件圖 某典型薄壁腔體零件 腹板和側壁壁厚均為0 4mm 0 5mm材料 鋁合金 鋁盒子加工采用平口鉗夾緊 銑完上腔體和四周外側面后 翻面銑下腔體和四周外側面 該工藝要將低熔點合金分別作為腔體的填料 及保護精加工后的薄壁面夾持面填料兩種用途 工藝流程如下 下料 飛銑六面 銑上腔體 澆鑄低熔點合金 銑上腔體四周0 5厚外側 卸下工件 用硬紙圍四側面 澆鑄低熔點合金形成夾持面 銑下腔體 保證底面0 5厚 澆鑄低熔點合金 銑下腔體四周0 4厚外側 熔化低熔點合金 成品 鋁盒子零件加工時采用低熔點合金分別作為腔體的填料 不必卸下工件 直接澆注 再接著加工 以及用低熔點合金作為填料保護精加工后的薄壁夾持面示意圖和實物 低熔點合金填料圖 低熔點合金特別適于在加工時夾持不規則和易損形狀工件的部份 低熔點合金的機械性能足以滿足定位和夾持操作時的剛性要求和控制 可進行強力壓緊和夾緊 很容易進行切削加工 并作為轉換工藝基準用 其使用的低溫可保證在凝固和熔解時的熱畸變最小 基本上是冷熱變形很小 所以作為空心形狀的臨時填充物 對保持工件的尺寸精度比較理想 熔化低熔點合金圖 實際加工結果 上 下腔體側壁壁厚差為0 025mm上 下腔體之間的0 5mm腹板厚度非常均勻 壁厚差為0 030mm 加工質量比較理想 熔化低熔點合金后的工件實物圖 6 數控編程及切削參數優化技術 在數控加工中 由于切削參數的選擇不當導致切削力過大 刀具磨損嚴重 零件表面殘余應力增加 加工質量下降等都會增加加工成本 降低數控加工的效率 因此數控加工切削參數的合理和優化選擇是非常重要的 目前關于切削參數優化已經提出了多種算法 其中基于生物進化理論的基因算法 可用于多參數 多約束條件和多目標的優化 可進行全局的探索優化 用基因算法優化切削參數的有效性已在多個報告的實例中得到驗證 計算采用不同的切削速度 切削量 進給量下的殘余應力及變形情況 從中得到各切削參數對變形的影響 以選擇優化切削參數 在達到加工精度的前提下盡量提高加工效率 采用控制變形的加工工藝 從刀具 切削參數 走刀路徑的選擇及程序的編制 都不同于傳統的加工 確保薄壁類零件的加工質量 同時必須簡化生產工序使絕大多數工作都集中在數控工序上完成 數控加工常見工藝問題的處理 順逆銑 凹 凸角加工 陡壁加工 分層加工 進退刀控制 對稱加工 降低切削力 減少表面應力集中 利用刀具的合理的材料選擇 刀具角度的優化 切削用量的優化 切削液的選擇及使用等方法降低切削力 對于數控機床 可利用主軸功率的使用效率來初步確定切削力大小 6 1設置應力釋放槽 應力釋放缺口技術是經過大量試驗驗證 控制變形的有效方法 應力釋放缺口的設置一般在零件加工的最開始進行 不同結構的零件 設置方法不同 西飛公司加工某壁板零件設置應力釋放槽示圖 6 2層優先加工策略 層優先加工策略能夠較好的控制加工變形 其基本方法是 先按照3 4 2 5 1 6的順序加工所有槽腔的第一層 再按照同樣的順序加工第二層 一直到最終要求 這樣變形控制效果比較理想 而傳統的槽腔加工一般采取順序加工的方式 效果差 6 3拐角加工技術 在拐角處 建議走帶圓弧的刀具路線 并且其半徑應大于刀具的有效半徑 可以有效地避免在工件上撞出不必要的內凹 同時 必須較好運用CAM軟件的拐角降速功能 6 4陡峭壁加工技術 側壁受力產生變形和回彈 發生過切和啃刀現象 側壁剛性增強 變形小 避免了過切現象 6 5錯位層加工技術 對于薄壁件的側壁加工 在層優先原則基礎上 目前流行一種錯位層切數控加工策略 使得直壁剛性增強 變形大大減小 避免了過切現象 6 6深槽加工策略 深槽加工是復雜結構件常見的加工難題之一 為了保證加工效率及質量 首先必須采用變換刀長加工的策略 按深度劃分若干層 刀長遞增 其次刀具類型盡量選用具有良好剛性的錐柄刀具 另外 切削策略盡量采用向外環切形式 側面采用階梯式余量 每層切削深度隨著槽深增加而遞減 6 7數控插銑加工技術 插銑加工是在數控切削過程中 刀具只有沿主軸方向進給運動 以底刃參與切削的加工方式 在進行深槽腔加工 窄型腔加工 轉角加工時 插銑加工提供了高穩定性的切削條件 振動 讓刀等現象大大降低 避免了窩刀 零件表面質量明顯提高 加工效率大大提高 采取數控補償措施 根據實際加工得到的零件的加工變形情況和經驗 設計數控補償程序 讓刀具在原有的軌跡中考慮零件變形程度附加一個偏移量 對加工變形進行數控補償 以達到加工精度要求 6 8數控補償策略 例子 掛架 7裝夾系統優化技術 裝夾方案改進主要內容是 壓板的數目 位置和夾緊力的大小 定位元件的位置 結構等 任意因素變化會引起有限元分析模型約束的變化 從而引起零件變形的變化 根據計算結果提出相應的改進措施 如改變壓板數目 位置 工件定位孔的位置 數目 夾緊力大小等 7裝夾系統優化技術 為了控制加工變形 需要選擇合理的裝夾方法 減少夾緊力對變形的影響 裝夾方案改進主要內容是 壓板的數目 位置和夾緊力的大小 定位元件的位置 結構等 任意因素變化會引起有限元分析模型約束的變化 從而引起零件變形的變化 根據計算結果提出相應的改進措施 如改變壓板數目 位置 工件定位孔的位置 數目 夾緊力大小等 以下方法可供參考 通用壓板 壓板的數量和作用點分布數量是主要研究內容 軟爪 用于夾持軸外圓加工內型面時 通用磁力吸盤 對于導磁性材料 專用胎具 真空吸盤夾具 定位心軸 用于軸類薄壁件以內孔定位 加工外型面時 常采用一夾一頂或一夾一拉 避免了徑向變形 真空夾具應用 在數控機床加工航空薄壁零部件時使用真空平臺 由于加工過程中由于工件一直被真空吸緊 具有裝夾不變形 工件尺寸容易保證 薄壁無顫紋 無接刀痕等好處 并且夾持力均勻可調 吸附力強 工件無夾痕 易裝卸 特別適合于航空薄壁槽型件 平板類零件 由于效果顯著 目前真空平臺已廣泛應用于航空薄壁零部件批生產加工 真空夾具結構示意圖 減小切削力 振動切削加工 振動切削是一種新型的非傳統加工的特種切削加工方法 按振動頻率可分為低頻振動切削 20 150Hz 和超聲振動切削 15 35kHz 它是給刀具 或工件 以適當的方向 一定的頻率和振幅的振動 以改善其切削功效的脈沖切削方法 與普通切削相比 振動切削具有切削力小 切削熱降低 工件表面質量提高 精度提高 切屑處理容易 刀具耐用度提高 加工穩定 生產率高等優點 高速加工技術已受到越來越多的重視 高速切削條件下 加工系統原有的一些特性發生變化 切削力降低 尤其是徑向切削力的大幅度減小 特別有利于航空航天薄壁件的高速精密加工 大部分切削熱被切屑飛速帶走 零件可基本保持冷態 因而特別適用于加工容易熱變形的零件 零件表面的殘余應力非常小 機械和熱應力變形都減小 8高速加工技術 高速加工技術的體系結構 高速切削的優越性 工件進給速度亦相應提高5 10倍 大大縮短了加工時間和空行程的時間 效率比10年前提高一倍多 高速切削時 機床的激振頻率相當高 遠離了工藝系統的低階固有頻率 故工作平穩 振動小 加工精度和表面質量高 當切削速度達到一定數值時 切削力可減小30 尤其是徑向切削力的大幅減小 特別有利于提高薄壁件等剛性差的零件的加工 單件的工資 機床費用大幅下降 開發 如在高速 大進給量和小切削深度的條件下 可完成HRC62的淬硬鋼的加工 不僅效率高出電加工3 6倍 且可獲得很高的表面質量 Ra0 4 干切削與硬切削新工藝 提高生產效率 降低制造成本 縮短新品開發周期 提高產品質量 高速加工 切削力小 高速切削的優越性 提高生產效率 降低制造成本 干切削與硬切削新工藝 提高生產效率 降低制造成本 縮短新品開發周期 切削力小 高速切削加工薄壁件相對傳統加工具有顯著的優越性 切削力小 加工薄壁類零件時工件產生的讓刀變形相應減小 易于保證零件的尺寸精度和形位精度 切削熱對零件的影響減少 零件加工熱變形小 這對于控制薄壁件的熱變形非常有利 加工精度高 刀具切削的激勵頻率遠離薄壁結構工藝系統的固有頻率 保證了較好的加工狀態 實現了平穩切削 保證了零件的精度和表面粗糙度 加工效率高 比常規加工高5 10倍 單位時間材料切除率可提高3 6倍 高速切削加工薄壁結構的優越性 采用螺旋線驅動方法編程 刀具進入材料盡可能采用連續的螺旋和圓弧軌跡進行銑削 以保證恒定的切削條件 爬坡采用單向加工 而不采用 之 字加工 避免逆銑 減少刀具退出和重新進入材料的次數 維持刀具穩定的切削狀態 保持切削厚度均勻 精加工時拐角等曲率變化和切深變化較大的部分要預先處理 使之留下與其他部分相同的余量 切削軌跡無突變 在刀軌轉折處采用無尖角刀具軌跡 粗加工要重視形狀的準確性 而不是簡單的去除材料 保證后續工序加工余量均勻 余量和切削用量要與切削參數相結合 選用合理的切削參數 避免切削余量突變 余量大時 應降低F 采用分層切削 有凸臺的部位先清根 避免刀具頻繁碰撞凸臺 有樣條插補條件時 通過NURBS曲線編程 高速切削加工編程要點 9物理仿真技術 切削過程物理仿真主要結合加工刀具 被切削材料 加工工藝對實際切削加工的狀況進行有限元分析及模擬計算 得出切削加工中的物理特征 如力 溫度 以及被加工材料和刀具在切削過程中的受力變形 殘余應力等數據 以進行裝夾方案的改進和工藝程序的優化 目前數控加工行業比較有代表性的幾何仿真軟件有Cgtech公司的Vericut 法國SPRING公司的NCSIMUL 物理仿真軟件有美國ThirdWaveSystems公司的AdvantEdge等 切削過程物理仿真與變形誤差補償技術包括高速切削機理研究 切削力建模 殘余應力預測及切削路徑和參數優化等 目前正在研究的4個方面 1 深入研究材料的高速切削機理 建立切削參數與切削力大小 工件加工表層殘余應力分布狀態等的定量關系 2 將切削力和殘余應力大小信息輸入至