葉建友 呂彥明 徐 看 宋 燦

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著航空航天領(lǐng)域國(guó)際化竟?fàn)幍挠蛹ち?，?duì)飛行器、航天器的性能提出了更高的要求。由于薄壁件重量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。對(duì)于現(xiàn)代飛機(jī)、航天器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，降低飛機(jī)、火箭等的自身結(jié)構(gòu)重量，就意味著提高了飛行器的機(jī)動(dòng)性、增大了攜帶負(fù)載的能力和飛行距離;而且，隨著重量的降低、整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高，可以延長(zhǎng)飛行器的服役壽命。但薄壁件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，相對(duì)剛度較低，加工余量大，工藝性差，銑削過(guò)程受切削力的作用容易產(chǎn)生變形和振動(dòng)。國(guó)內(nèi)外專家和技術(shù)人員對(duì)薄壁件在銑削過(guò)程中產(chǎn)生的變形做了大量研究。Sutherland［1］等人較早從理論上提出了考慮刀具變形和工件變形的瞬時(shí)未變形切屑厚度和表面誤差的計(jì)算方法。Tang［2］等人基于彈性力學(xué)小變形理論建立了薄壁件銑削加工過(guò)程中彈性讓刀變形的理論模型。Ratchev［3］通過(guò)建立切削力-變形模型，實(shí)現(xiàn)了薄壁件加工變形的精確預(yù)測(cè)，基于這個(gè)模型，經(jīng)過(guò)優(yōu)選切削參數(shù)和刀具路徑補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)薄壁件的精確加工。武凱［4］、董輝躍［5］等人分別采用有限元方法研究了高速銑削過(guò)程中薄壁腹板彈性變形規(guī)律及其控制方案。王運(yùn)巧［6］等人研究了輔助支撐的個(gè)數(shù)及位置對(duì)薄壁工件銑削加工局部彈性讓刀變形的影響。

本文通過(guò)高速銑削試驗(yàn)，采集了加工過(guò)程中的銑削力與薄壁件變形信號(hào)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生變形原因進(jìn)行了分析，從數(shù)控補(bǔ)償加工、高速切削加工、毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的消除與均勻化、適當(dāng)?shù)难b夾等多方面提出相應(yīng)的變形補(bǔ)償方法，并提出了一種以冷卻液為介質(zhì)的空化脈沖射流作為薄壁件銑削的隨動(dòng)柔性輔助支撐新的加工方法，有效的解決低剛度工件加工變形的問(wèn)題。

1 銑削加工變形分析

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)在德馬吉M500 加工中心上進(jìn)行;工件材料為7075 鋁合金;長(zhǎng)、寬、高尺寸為130 mm ×130 mm×60 mm，通過(guò)銑削使厚板上挖去120 mm ×120 mm×40 mm 的方形塊，留下四周壁厚5 mm，底部厚20 mm 的薄壁零件;切削參數(shù)為直徑20 mm 的機(jī)夾圓刀片立銑刀，切削速度為200 m/min，每齒進(jìn)給量為0.4 mm/齒，切深為2 mm;切削力測(cè)量裝置包括測(cè)力儀、位移傳感器、電荷放大器、工控計(jì)算機(jī)及顯示器等。圖1 為切削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，圖2 為工件和測(cè)力儀有限元模型。

圖1 切削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 工件及測(cè)力儀有限元模型

1.2 薄壁件變形分析

引起薄壁件加工變形的原因很多，與毛坯的材料、工件的幾何形狀及剛度、以及加工工藝和加工設(shè)備等均有關(guān)系。經(jīng)研究分析，薄壁件加工變形的主要因素有以下幾個(gè)方面:

(1)毛坯件初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布 在銑削過(guò)程中，隨著材料的不斷去除，毛坯件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到釋放，工件只有通過(guò)變形才能達(dá)到新的應(yīng)力平衡。相關(guān)研究表明［7］:毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放和重分布是產(chǎn)生變形的重要原因之一。

(2)刀具對(duì)工件的作用 在銑削過(guò)程中，刀具與工件的接觸部分會(huì)發(fā)生彈塑性變形，并產(chǎn)生大量切削熱，從而使得工件溫度不均，因此產(chǎn)生變形。

(3)裝夾變形 由于薄壁件自身剛性差，因此在裝夾力的作用下工件會(huì)發(fā)生變形;工件由于在加工過(guò)程中彈塑性變形將影響其表面的尺寸精度和形狀、位置精度。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的切削力波形圖不難看出，測(cè)量值和理論值相差比較大。理論上應(yīng)該是單一的周期性鋸齒波，實(shí)際上是多分量復(fù)雜波，沿進(jìn)給方向還會(huì)出現(xiàn)雙向振動(dòng)的波形。產(chǎn)生這些的主要原因是測(cè)力儀測(cè)得的數(shù)據(jù)是通過(guò)測(cè)力儀彈性元件變形間接得到的。切削力激勵(lì)由工件、測(cè)力儀及機(jī)床構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，測(cè)力儀彈性元件也發(fā)生振動(dòng)。我們進(jìn)一步建立了工藝系統(tǒng)模型，利用有限元分析其模態(tài)及響應(yīng)，圖3 為工件及測(cè)力儀構(gòu)成系統(tǒng)的三階振動(dòng)模態(tài);圖4 為其頻響曲線，通過(guò)分析系統(tǒng)模態(tài)及響應(yīng)，反推實(shí)際的切削力;圖5 為測(cè)量的切削力數(shù)據(jù)波形。

圖3 工件和測(cè)力儀前三階振型

圖4 工件和測(cè)力儀系統(tǒng)的頻響圖

圖5 薄壁件切削力波形

2 變形補(bǔ)償方法

通過(guò)對(duì)薄壁件加工變形的原因分析可知，薄壁件的變形既與切削過(guò)程有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)有關(guān)，針對(duì)薄壁件變形的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及結(jié)合本實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況，提出相應(yīng)變形補(bǔ)償方法。

(1)數(shù)控補(bǔ)償加工

在切削力的作用下，工件一方面由于和刀具接觸而發(fā)生彈塑性變形，材料不斷被切除;另一方面工件由于回彈，產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，造成薄壁件側(cè)壁上厚下薄。通過(guò)分析系統(tǒng)模態(tài)及響應(yīng)，反推實(shí)際的切削力，通過(guò)ANSYS 有限元分析軟件模擬出薄壁件加工過(guò)程中變形的大小。在數(shù)控編程時(shí)讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續(xù)偏擺，補(bǔ)償因工件變形而產(chǎn)生的讓刀量，如圖6 所示。通過(guò)刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，可以將讓刀殘余材料切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度。

圖6 補(bǔ)償原理示意圖

(2)高速切削加工

高速切削加工理論是1931 年4 月由德國(guó)的Carl Salomon 博士首先提出的，他認(rèn)為:在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對(duì)于不同的工件材料，存在一個(gè)切削速度范圍，在這個(gè)范圍中，由于切削溫度過(guò)高，刀具材料無(wú)法承受而不能進(jìn)行加工，故該速度區(qū)域被稱為死區(qū)［8］。當(dāng)切削速度超過(guò)死區(qū)以后，隨著切削速度的增大切削力會(huì)減小，切削溫度也會(huì)降低。高速切削時(shí)由于主軸速度高，在相同的切削率下，每齒切削量小，切削力也比較小，工件彈性變形小。高速切削是薄壁低剛度工件加工的有效方法，在一定程度上解決低剛度薄壁工件的加工問(wèn)題。

(3)毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的消除與均勻化

毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)工件的整體加工變形的產(chǎn)生有重要影響。工件在加工前，由于受到外力及其他因素導(dǎo)致工件內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜應(yīng)力分布，極易引起加工完后工件復(fù)雜的變形產(chǎn)生。因此，為了得到較好的工件精度，可以采取相應(yīng)工藝措施來(lái)減小和均勻化毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力。對(duì)于航空類薄壁件，現(xiàn)行最有效且經(jīng)濟(jì)地減小毛坯殘余應(yīng)力的工藝措施是進(jìn)行深冷處理。深冷技術(shù)可以使淬火后的金屬材料溫度在冷卻中達(dá)到遠(yuǎn)低于室溫的溫度(-196 ℃)，從而達(dá)到消除和均勻化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。經(jīng)過(guò)深冷處理后一方面可以顯著減小毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力［9］，可以使馬氏體晶格畸變減小，微觀應(yīng)力減小，從而強(qiáng)化基體組織，并減小加工過(guò)程中的變形，提高加工精度;另一方面，毛坯中的殘余應(yīng)力分布將更加均勻，降低了工件的變形潛能，提高尺寸穩(wěn)定性，使硬度、抗沖擊韌性和耐磨性都顯著提高。

(4)適當(dāng)?shù)难b夾

工件在裝夾過(guò)程中由于夾緊力的作用會(huì)伴隨一定的變形，影響工件加工的質(zhì)量。由于相變材料的柔性?shī)A具夾緊體可以自由布置，為工件夾緊力的優(yōu)化提供了條件，如加工圖7 所示工件的表面。如用通用精密虎鉗裝夾，只能在一個(gè)方向夾緊，平行于鉗口方向的限制是靠虎鉗與工件的摩擦力，為保證工件裝夾穩(wěn)定，需有足夠大的摩擦力，則必需加大夾緊力，實(shí)際上夾緊力是實(shí)際使用需要的近10 倍，使工件變形。利用相變材料的柔性?shī)A具就可以通過(guò)多布置夾緊體，使夾緊力更有效，減少最大夾緊力，減小工件的變形，如圖8 所示。

圖7 平口鉗裝夾示意圖

圖8 柔性?shī)A具裝夾示意圖

3 薄壁件銑削新方法

目前，關(guān)于解決薄壁件彈性變形問(wèn)題，主要通過(guò)對(duì)薄壁件加工系統(tǒng)彈性變形模型分析，補(bǔ)償?shù)毒咦叩堵窂剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)薄壁件高質(zhì)量加工，在某些具體應(yīng)用中可以取得比較理想的效果。但切削工藝系統(tǒng)復(fù)雜，工件結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，建模比較復(fù)雜，往往需要用有限元分析，對(duì)每個(gè)刀位點(diǎn)都進(jìn)行計(jì)算修正，再加上刀具和工件變形互耦時(shí)的反復(fù)迭代，不僅要考慮刀具、工件變形對(duì)切削量的反饋影響，而且還考慮材料去除引起的工件剛度變化對(duì)各種變形的影響等耦合效應(yīng)，分析計(jì)算工作量巨大;加之刀具路徑補(bǔ)償，由于變形復(fù)雜，往往不單是位置變化就能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，刀具姿態(tài)也要發(fā)生變化，由原來(lái)三軸加工變成五軸加工，編程復(fù)雜化;可能出現(xiàn)補(bǔ)償路徑突跳不光順，實(shí)際加工質(zhì)量變差等問(wèn)題，較難推廣到一般的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外專家在不斷嘗試研究薄壁件切削的新方法。江南大學(xué)呂彥明教授團(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)用冷卻液為介質(zhì)的空化脈沖射流作為薄壁件銑削的隨動(dòng)柔性輔助支撐的加工方法，提高系統(tǒng)剛性，減小工件彈性變形、減小和抑制工藝系統(tǒng)振動(dòng)。現(xiàn)有薄壁件的支撐技術(shù)，主要是加注低熔點(diǎn)合金、石蠟等［10-11］。對(duì)于網(wǎng)格狀筋板類工件加工，效果毋庸置疑。但是需要增加中間工序，加注支撐材料、回收支撐材料和清理支撐材料，比較費(fèi)時(shí)。關(guān)鍵是只有個(gè)別類型低剛度工件能使用這種方法，對(duì)于形狀復(fù)雜的薄壁件很難運(yùn)用這種方法。目前，射流技術(shù)已經(jīng)非常成熟，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油鉆井、煤礦采煤、工業(yè)切割等領(lǐng)域，以如何有效地破壞加工對(duì)象為主要研究目標(biāo)，產(chǎn)生的沖蝕壓力和破壞作用越大越好。用作輔助支撐的空化脈沖射流產(chǎn)生一個(gè)和切削力波形相位差180°的沖擊波形。由此提高工件的工藝剛性，減小工件變形和抑制工藝系統(tǒng)振動(dòng)。相比機(jī)械支撐，射流支撐具有下列優(yōu)點(diǎn):

(1)脈沖射流作用的有效距離長(zhǎng)，在8～14 倍噴口直徑范圍內(nèi)，即在這個(gè)范圍內(nèi)沖擊壓力保持不變，不會(huì)將支撐部位的誤差映射到工件上，方便安裝布置，可以布置到主軸上，避免和刀具及工件的干涉;隨動(dòng)控制簡(jiǎn)單，超出噴距才需要調(diào)整距離，對(duì)不同工序只需控制噴距、壓力、脈沖頻率、噴射角度。

(2)控制射流沖擊力抵消切削力可以減小工件的變形。

(3)控制射流脈沖頻率可以利用有源降噪的原理抑制工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。

(4)作為沖擊射流的切削液本身具有冷卻、潤(rùn)滑和清洗作用。

(5)射流沖擊可以類似噴丸作用消除工件應(yīng)力。

目前國(guó)內(nèi)外尚未有針對(duì)射流作為輔助支撐的研究，研究人員設(shè)計(jì)的葉片類工件銑削脈沖射流輔助支撐實(shí)驗(yàn)裝置如圖9 所示，主要由射流發(fā)生裝置、位移傳感器、切削力測(cè)量裝置及夾具裝置等組成。通過(guò)相關(guān)基礎(chǔ)理論分析和初步試驗(yàn)證實(shí)了該方法的可行性和實(shí)用性，在銑削過(guò)程中可提高工件的工藝剛性，減小工件變形，減小和抑制工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，有效地解決低剛度工件的高效高精度加工的瓶頸問(wèn)題。

圖9 葉片類工件銑削脈沖射流輔助支撐示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

薄壁件已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，由于薄壁件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，相對(duì)剛度較低，加工余量大，工藝性差，容易產(chǎn)生切削變形被認(rèn)為是機(jī)械加工中的難題。本文針對(duì)薄壁件銑削過(guò)程中產(chǎn)生變形進(jìn)行了分析;對(duì)當(dāng)前應(yīng)用于減小和抑制薄壁件變形的措施等進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和介紹;同時(shí)提出了一種新的加工方法，該方法以冷卻液為介質(zhì)的空化脈沖射流作為薄壁件銑削的隨動(dòng)柔性輔助支撐，可以減小和抑制低剛度工件變形和振動(dòng)，有效地解決低剛度工件的效率低質(zhì)量難以保證的難題。

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