關于航天薄壁框架類零件數控加工變形抑制方法的研究 Research on the Suppression of Thin-wall Frame Parts

饒鳳 RAO Feng

摘要：本文主要研究對象為航空薄壁框架類零件在數控加工過程當中所產生的變形抑制為題，同時針對相關加工工藝、裝夾方式、切削線路展開分析，從而獲取到產品數控加工變形相關影響原因，并提出優化方向，對整體加工工藝加以改進的同時，提出切削線路優化方式，以期為相關從業人員提供有效參考。

Abstract： The main research object of this paper is the deformation suppression of aviation thin-wall frame parts in the CNC processing process， and analyze the relevant processing process， loading mode and cutting lines， thus obtain the influence causes of the NC processing deformation， propose the optimization direction and improve the overall processing process， so as to provide effective reference for relevant practitioners.

關鍵詞：薄壁框架零件;數控加工;變形抑制

Key words： thin-wall frame parts;CNC machining;deformation suppression

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0071-02

0? 引言

在數控機床加工航空的薄壁結構件之前，應在輔助設計工程項目的分析方法中對變形狀態進行有效分析，同時對危及整體結構的要素進行分析，防止零件變形。在此基礎上，航空單位應制定結構件變形對策，改進結構件，確保飛機的整體性能。

1? 影響零件加工精度的因素

在機械加工的整個過程中，由數控車床、夾具、刀具和產品工件組成的詳細加工工藝系統軟件。在整個過程中，危及零件加工精度的因素很多。依次對詳細的加工工藝系統軟件進行分析，得出影響零件精度的關鍵因素是數控車床本身的精度、數控車床的熱變形、整個過程中產品工件的裝夾變形，夾持力和刀具精度，切削力和切削熱引起的變形以及整個過程中零件內應力釋放引起的變形（圖1）。在所有危害精度的要素中，夾緊變形對零件精度的危害更大，其次是加工工藝系統軟件的熱變形和內應力的釋放。上述變形與整體加工工藝、裝夾方式和切削路徑直接相關。下面將對以上三點進行分析和改進，完成加工變形抑制。

2? 航空薄壁結構件數控加工變形原因

航空的薄壁結構件在數控機床中變形是不可避免的，變形的方式非常不穩定。根據對結構件變形時間、極限和危害的分析，區分結構件的變形類型。關鍵點包括結構件的局部變形和外觀設計的整體變形，結構件局部變形的關鍵是結構件加工和切割的全過程引起的，變形后主要表現為刀具局部彎曲或屈服等，多為機床與產品工件的接觸部位引起，另外，航空的薄壁結構件剛性較差，也會造成零件局部變形，零件規格存在一定差異，零件外觀會稍差。其次，零件設計的整體變形主要表現在加工后的扭曲和彎曲，在比較短的時間內也會發生變形。造成這種情況的直接原因是：原材料經過激光切割后，其自身的熱應力會分布，加工過程中溫度也會發生變化，自然環境會發生變化，結構的外觀設計也會隨之發生變化。此外，熱脹冷縮也是造成結構整體設計變形的重要原因。在某種特殊溫度下，如果加工生產車間的溫度、零件運輸的溫度和生產中后期車間的溫度不能保持一致，則無法處理熱量，引發收縮和擴張的問題，只有合理處理了上述情況，才能對航空薄壁結構件數控機床的變形問題進行合理的處理。

3? 航空薄壁結構件數控加工變形控制思路

針對數控加工航空薄壁結構件時的變形問題，可以基于有限元技術，基于商業服務軟件ANSYS，評估變形與變形之間的關系，全方位評估變形、應力之間的關系。此外，還需要對結構線、離散系統的個體行為及其瞬時動力學模型進行分析，以充分掌握結構與載荷之間的聯系。在基本建筑結構件的物理模型中，應強調關鍵點，其余部分可在具體結構件的基礎上建模。事實上，物理模型一直處于最佳狀態，只有在這樣的條件下才能保證結構件的安全系數，對于彎曲零件，彎曲剛度和平面視圖剛度相對較弱。如果在整個加工過程中遇到切削力和夾緊力，就會發生變形，根據工程力學基本變形理論的分析，原材料受外力作用會發生變形，當地應力超過原材料的屈服強度時會發生塑性變形。對于環件，軸向變形一般為橢圓形，必須分析以下幾點：一是熱應力，必須根據結構中的原位應力狀態分析加工變形的規律;二是切削力，數控機床加工的全過程和主要切削參數的選擇分析零件的切削力;第三是夾緊極限，在選定的夾緊位置下分析零件的夾緊力。

4? 總體加工工藝的改進

對于薄壁結構件的CNC加工，一般的變形抑制方法是多次時效解決，當然時效性分為粗加工、半精加工和精加工多道工序，上述對策雖然可以在一定程度上抑制變形，但步驟復雜耗時，且在半精加工和精加工過程中，受限于薄壁特性的剛性問題。為了減少變形，各種刀具主要參數的提高受到限制，導致高加工效率降低。針對上述情況，在提高商品加工整體剛性的基礎上，在半精加工和精加工過程中，選擇在零件內部添加石蠟、熟石膏或環氧樹脂聚合物的方法，以提高零件加工的整體剛性。產品整體剛度（圖2）。這種填料具有相同的特性，熔化干燥快，剛性好，質優價廉。近年來，高分子聚合物被廣泛用作提高零件剛性的原材料。高分子聚合物的主要成分為尿素溶液環氧樹脂和硫酸銨，組成為96：4。這種填料可以部分或整體增加非剛性部件的剛性。加工后，加熱零件或將它們放入水中會使零件和填料松動。然而，當使用環氧樹脂聚合物時，在整個加工過程中不能使用液態制冷劑。

5? 裝夾方案量化

對于厚壁結構件的CNC加工，傳統的裝夾方式為虎鉗裝夾，存在裝夾面大、厚度不一、受力均勻易造成裝夾變形的問題。因此，總體目標是在夾緊過程中避免厚壁零件，并在拐角處使用剛性好的側裝支撐點塊進行夾緊。這種方法雖然能更有效地解決厚壁處的受力問題，但由于頂裝面相對有限，頂裝力過小，在整個切割過程中容易造成零件松動而造成偏差;導致夾具變形。因此，根據產品幾何形狀的特點和原材料的特性，選擇角支撐點側裝方式來確定合適的頂裝力極為重要。

5.1 根據切削力確定最小頂裝力

在數控機床加工的整個過程中，刀具主要切削參數的選擇是非常關鍵的。選擇不合理會導致零件因切削力過大而變形膨脹，降低刀具壽命，零件表面的內應力也會隨之而來，同時危及零件的表面質量，這阻礙了處理的高效率，增加了貨物精確操縱的難度?？焖偌庸ぜ夹g可以合理減少刀具引起的加工變形，在快速切削的情況下，零件的加工特性將得到顯著改善，切削力降低，尤其是軸向切削力的降低更為顯著，而且隨著機械設備特性的不斷提高，快速加工也越來越多用?？焖偌庸さ牧硪粋€優點是大部分切削熱量可以通過切削快速帶走，零件的溫度不易出現大的波動，因此特別適用于加工極易發生熱變形的零件。因此，零件在半精加工和精加工全過程中采用快速切削方法，明確刀具的主要切削參數。數控機床加工零件時，采用硬質合金刀具進行切削加工。車刀齒數z為4齒，刀具直徑為d，為10mm，工具尺側為0°。該刀具的主要切削參數為速比n為13000r/min，每齒切削量f=0.15mm/z，切削深度a=4mm，總切削寬度a=0.8mm。根據計算，角速度V.為408.2m/min，主切削力F.為110.67N。根據垂直力F，與F.的比值為0.9，計算得出F為99.603N。已知支撐點塊（原材料為鋁合金型材）與零件之間的摩擦阻力為0.3，計算所需頂裝力為99.603/0.3=332.01N。

5.2 切削路徑優化

對于快速切削刀具位置的最短路徑算法問題，快速切削的加工路徑對其速度和精度有關鍵影響。因此，在選擇快速加工的同時，進一步完善刀具位置路徑，優先選擇和對稱切削對策的前提下，NC程序編譯層面選擇UG軟件iMachining編輯CAM文件，螺旋切削方式用于很好地控制切削力和加工變形。使用iMachining后，優點是整個切削過程采用銑削方式，拐角處自動降低速度，減少刀具損壞和零件晃動，防止傳統方式切削和連接，刀具超過負荷，空切缺陷。螺旋切割的切割角度在最小值和最大值之間連續調整。同時，刀具的動態調整保證了穩定的機械設備和刀具上的熱消耗，并保證了最大的原料油泥負荷（MRR），延長刀具壽命。螺旋線方式可以減少振動，避免刀具過度損壞，減少臨時厚壁的概率，從而達到操縱零件變形的目的。

6? 結語

隨著我國航天事業的不斷發展趨勢，大家已經明確對其結構件提出了更高的規定。只有保證結構件的質量，才能滿足各種機械設備的制造規定。因此，在操縱飛機厚壁結構件的加工變形時，必須分析具體情況，做好加工中和加工后的變形控制，以提高厚壁結構件的加工質量。

參考文獻：

[1]潘曉晶.數控加工薄壁零件加工方法及工藝改進研究[J]. 科學技術創新，2020（29）：161-162.

[2]余海東，來新民，林忠欽.航天大型薄壁結構裝配制造尺寸精度預測與控制方法[J].上海航天（中英文），2020，37（03）：5-14.

[3]屈力剛，張林棟，劉洪俠.基于UKF薄壁件加工變形預測技術研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2020，55（01）：99-103.

[4]朱蕓.某異形薄壁件加工方法研究[J].中國機械，2019（003）：23-24.