薄壁叶片精密数控加工变形分析与控制技术设计

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1、 摘 要在航空航天工业中，数控铣削是薄壁零件加工的一种典型加工工艺，其中尤以高速铣削应用最为广泛。然而，由于这些结构件的薄壁地刚度特征，实际加工过程中工件和道具变形引起的加工误差严重影响着工件的加工精度及表面质量，甚至造成零件的保费。因而，研究薄壁铣削过程加工变形的预测及控制，对实现制造也中的加工工艺方案和加工参数的合理选取优化既有重要意义。为此，本文以薄壁件侧铣加工过程为研究对象综合运用怯薛基本原理、有限元数值模拟技术以及数控加工技术，对加工变形预测方法和补偿策略进行研究，具体工作包括：(1) 薄壁叶片的UG建模，和从UG 导入ANSYS软件。(2) 建立刘文螺旋立铣刀铣削加工的力学模型。在

2、分析铣削加工特点的基础上，建立了铣削力系数与切削用量的多项式模型，并用四因素回归正交实验法确定了模型常量。最后，用过实验验证了该力学模型的正确性。(3) 针对航空叶片侧铣加工变形进行了有限元数值模拟分析，提出了变形补偿策略。在分析叶片曲面曲面特征的基础上，运用坐标变换实现铣削力的计算及有限元模型的加载，得到了被加工表面的形状误差数据。在此基础上，有提出了利用变形模拟值修正刀轴适量补偿叶片加工变形的刀轨优化策略。综上，本文的研究为解决薄壁件侧铣加工的变形问题提供了有效的误差补偿方法，为提高加工质量、降低成本、提高机床的利用率提供了有效的途径，同时为后续深入研究奠定了理论基础。关键词：UG建模；薄

3、壁叶轮；有限元分析；误差补偿ABSTRACT In the aerospace industry, CNC milling is thin a typical parts machining processing technology, especially the most widely used high speed milling. However, due to the characteristics of thin-walled structure to stiffness, the actual process of workpiece and props processing e

4、rror caused by deformation of the serious influence workpiece machining precision and surface quality, even cause components of the premium. Therefore, study machining deformation of thin-walled milling process to realize forecast and control, the manufacturing process scheme and processing paramete

5、rs optimized rational selection of both the important meaning. Therefore, this article takes the thin-walled package flank milling process for research object comprehensive use of timid uzziel basic principle, the finite element numerical simulation technology and nc machining technology, machining

6、deformation prediction method of study, compensatory strategies and concrete work include:Thin blade, and the UG modeling from UG import ANSYS software.Establish liu wen mill cutter milling spiral mechanical model. On the analysis of milling characteristics is established, on the basis of milling fo

7、rce coefficients of polynomial model with cutting dosages, with four factors regression orthogonal experimental method is used to determine the model constants. Finally, used experimental results verify the correctness of the mechanical model.On airline blade lateral milling machining deformation fi

8、nite element numerical simulation are analyzed, and the deformation compensation strategy. On the analysis of the characteristics of leaf surface based on the surface, using the coordinate transform realize milling force calculation and finite element model of loading, got processed surface shape er

9、ror data. On this basis, have proposed to use deformation simulation value fixed cutter axis machining deformation of adequate compensation blade knife rail optimization strategy.In conclusion, this research to solve the thin-wall pieces lateral milling machining deformation problems to provide effe

10、ctive error compensation methods, to improve machining quality, reduce cost, increase the utilization rate of machine tool provides an effective way for the follow-up thorough research, and laid a theoretical basis.Keywords: UG modeling; Thin-wall impeller; The finite element analysis; Error compens

11、ation.第一章 绪论1.1 论文研究的背景及意义 制造业是一个国家的支柱产业，是高科技赖以产生和发展的基础。它涉及到材料，力学，机械制造等多个学科，是高新技术最密集的领域之一。制造业水平往往能够从一个侧面反映一个国家或地区的科学技术和工业化水平的高低。随着航空航天领域日趋激烈的国际化竞争，对产品的性能也提出了更高的要求。就现代飞机，航天器的结构设计，制造来说，为了减轻产品的重量，提高产品的结构强度，进一步提升产品的性能，广泛使用薄壁零件，如发动机的涡轮叶片。 叶片是机械制造业中最典型的零件之一, 在航空、汽车、船舶等领域都有广泛的使用, 如蒸汽轮机、水轮机、航空发动机里的涡轮压气机等。叶片

12、类零件多属于复杂薄壁零件, 种类繁多, 而且大部分叶片型面是由几何精度要求较高的自由曲面组成。因此, 叶片加工现在广泛使用现代数控加工技术。 叶片结构形状复杂外形协调要求较高，零件外廓尺寸相对截面尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低，精度要求高，目前普遍采用数控铣削的方式来进行加工。然而，在铣削加工过程中，由于这些构件的低刚度特征，切削力、切削应力以及切削热作用所引起的零件弹性变形是不可避免的，使得实际切削参数不等于名义值，最终降低加工精度及表面质量，严重情况下造成零件报废。薄壁件的变形问题，美、法、德、日、英等制造强国都非常重视。美国的波音公司依托密西根大学等若干所著名大学，在政府和军工企业集

13、团的共同支持下，正在共同研究和开发能够有效抑制整体薄壁零件数控加工变形的工艺路线优化理论和有限元模拟软件。在西方发达国家，针对薄壁件的结构特点，采用有限元技术，通过变形分析获得薄壁结构件变形模式，再利用误差补偿技术进行适当补偿，可以保证薄壁结构零件高精度加工要求，或通过高速铣削技术解决薄壁件加工变形问题，而且提高了加工生产率。而在国内，由于缺少理论的计算和相关的试验数据，对薄壁零件的研究尚处于起步阶段，尤其是对薄壁零件变形预测和控制的研究还大大的落后于国外。通过薄壁零件的结构特征可知，切削力及切削应力是导致薄壁零件加工误差的主要因素。因而为了保证加工误差满足制造精度的要求，除了要对工件的尺寸、

14、形状进行综合考虑外，更重要的是要对加工过程进行定量的研究分析，正确合理地进行加工工艺设计和选择加工工艺参数。航空发动机叶片在数控加工后绝大部分存在不同程度或弯或扭或弯扭组合的变形，其变形产生的机理目前仍未完全掌握，变形抑制、变形消除的理论和实验研究等方面仍有许多工作亟待进行。目前对待变形零件的校正手段主要停留在凭经验锤击敲打的“野蛮校形”水平。这种状态根本无法满足产品批量生产的要求；而且对于变形较大零件，无法校正或校正破坏零件的现象时有发生。因而如果对薄壁零件的变形规律认识不清，就不能有效地控制其加工精度。可见，加工变形的预测和控制成了薄壁结构零件加工的关键。由于叶片是一种典型的薄壁零件。因此

15、，本文以钛合金叶片铣削加工变形作为主要研究对象，借助UG建模、有限元分析等手段进行研究与探讨。开展该方面的前瞻性应用基础研究，对工艺设计和切削参数选择具有一定指导意义。不仅能够保证叶片的精度、提高加工质量及提升加工效率。具有理论和实践指导的双重意义。叶片结构如图1.11.2 研究现状综述切削力是切削加工中的一个非常重要的物理现象，是影响切削加工过程的重要因素之一。同时，它是薄壁零件加工变形、表面误差以及误差补偿等方面研究的基础，许多科学家利用多种手段研究了切削力的产生以及切削力的预报。随着计算机的出现，人们开始尝试利用计算机来获得薄壁零件的加工变形规律，即有限元法。在有限元分析模型中，将铣削力

16、作为动态边界载荷，以一定的方式加载在零件的物理模型上，通过数值计算的方法获得研究对象的变形量。通过获得的数据，再利用误差补偿技术进行适当补偿以优化刀轨，能有效地保证零件的加工质量，提高加工效率，大大减少了实验工作量。 下面就切削力模型、加工变形的预测、误差控制以及刀轨优化相关问题的研究现状进行扼要叙述。1.2.1 切削力研究对切削力的精确建模是预报切削力、颤振、表面质量以及加工过程稳定性的基础。但由于切削过程的复杂性，至今还未建立与实验结果足够吻合的理论公式，在生产实践中常采用由试验得出的经验公式。经验公式法以大量试验为依据，且受到实验条件和特定加工的限制，没有太大的外推价值。因此，如何建立准

17、确、有效的切削力模型显得尤为重要。在切削力的建模方面，国内外学者都进行了广泛的研究，大致包括以下几种。1.2.1.1 解析法解析法基于 20 世纪 40 年代 Merchant发表的剪切面理论，应用剪切滑移理论，重点研究切削过程中的切削力及切削振动等相关问题。解析法对切削过程中出现的力学机理进行了模拟，由于受高应变率、高温度梯度、弹塑性变形等复杂力学现象的影响，解析法不能准确描述出切削过程中前、后刀面上的力学关系。但随着切屑变形的塑性理论力学和位错理论的发展，使切屑变形的宏观几何规律和微观变形机理的研究推进了一大步。 对于切削力的研究，离不开两个基本的理论：最小能量理论和滑移线场理论，其他许多

18、研究都以此为基础。最小能量理论是 Merchant提出的，即金属切削时剪切平面位于剪切能量最小的位置，应用这一学说，建立了一个用以确定剪切角的数学模型。1951 年，Lee 和 Shaffer在被加工材料是理想塑性材料的假设下，采用滑移线场理论对切削过程进行了分析研究，建立了滑移线切削理论。Oxley应用平面应变塑性理论，提出了主剪切面的滑移线场理论，考虑了 Merchant 模型所忽略的应变、应变率以及温度对流动应力的影响。 按照切削方式的不同，切削加工可分为自由切削和非自由切削，以及正交切削和斜角切削，其中正交切削是最简单的切削模型。因此，很多研究都是以正交切削为切入点，来寻找切削过程的变

19、形基本规律。随着计算机技术的发展，切削模型的解析精度不断提高，模型计算结果逐步与实际切削过程相接近，许多研究人员开始着重研究斜角切削方式。1.2.1.2 经验法 经验方法的特点是把切削加工中不易模型化的影响因素用系数和指数的形式来表征，如刀具前角的影响、刀具和工件材料的影响等，并且通过切削试验由测力仪测得切削力后，根据所得数据用数学方法进行处理，建立回归方程，即可得到这些系数和指数。一般来说，模型中的系数和指数越多，要求的试验量就越大，模型也就越准确，应用的范围就越小。要获得准确的预测结果，往往需要进行大量的试验来支持。1.2.1.3 力学法力学建模方法是以切削过程的力学研究为基础，考虑到切削

20、过程是涉及多输入多输出的综合系统，建立用于多种切削条件的综合切削模型，以揭示切削过程，预测有效输出参数和表达系统输入输出间的关系。力学法综合运用解析法和实验验证，使用经验切削力数据而避免出现剪切角、动态应力、摩擦角等复杂参数。一方面可以揭示切削过程中各参数的变形规律，另一方面不需要大量的实验来确定实验参数，目前已成为研究动态切削的有效手段。 Koenigsberger 等人于 20 世纪 60 年代提出了加工过程中的切削力分量可表达为切削力系数与切屑载荷乘积的形式，对于每一个切削力分量，前刀面上切屑形成的剪切效应以及刀刃、后刀面上的摩擦、挤压效应是用切削力系数给予表达的，其中切屑载荷为瞬时未变

21、形切屑厚度与切削宽度的乘积。后来的很多研究都是围绕这一理论基础开展的。Kline 等、Sutherland 等和 Tsai 等均假定切削力系数为常数；而在另外一些学者的研究中，切削力系数被假设为与瞬时未变形切屑厚度有关的指数函数，为了计算方便切削力系数常被简化为平均切屑厚度的指数函数。为提高预测精度，武凯等将切削力系数表达为单齿进给量、径向切削深度和轴向切削深度的二次多项式函数。此外，还有一些研究者定义切削力系数为工件硬度和进给量的函数，或是切屑厚度、切削速度和刀具前角的函数。 然而以上模型未考虑刀刃的挤压和后刀面的摩擦即边缘效用。于是许多学者对模型进行了改进，将切削力系数分解为剪切效用系数和

22、边缘效应系数两部分。Albrecht是较早提出这种思想的学者之一。基于该思想，Endres 等建立了切屑厚度可变的切削力模型。切削力系数可以直接使用试验测得的切削力进行标定得到，还可以利用基于切削机理推导出的公式并使用正交试验数据进行确定。针对平头立铣刀，Budak 等详细介绍了分别从试验所测切削力以及从正交切削试验数据两种不同角度来确定切削力系数的方法。Gradisek 等则基于实测切削力数据建立了任意立铣刀铣削过程中切削力系数的通用表达式，该方法适用于任意径向切削深度的切削试验。 近年来，随着计算机模拟技术的发展，国外一些学者利用有限元软件建立了切削力分析计算模型，这些模型在一定程度上为新

23、设备、新工艺试运行提供了可预测的切削力量级，具有很高的参考价值。同时，还有些学者将模糊控制、神经网络等高科技手段引入切削力研究领域并取得了一定的科研成果，从而对切削力的深入研究起到了重要推动作用。1.2.2 薄壁件加工变形的有限元分析 在薄壁件的铣削加工过程中，由于低刚度所造成的变形是一个关系到最终加工质量和精度的举足轻重问题。随着有限元技术的发展，特别是一些商业化有限元软件的开发，以及试验手段的不断改进，对薄壁件的变形问题已经能够进行定量分析。现有的研究文献大致分为两个方面：仅考虑工件变形的模型和加工中同时考虑工件与刀具变形的模型。1.2.2.1 仅考虑工件变形的模型 这种模型认为刀具刚度远

24、大于工件刚度，因而将工件变形列为表面误差的主要因素。王志刚等在假设刀具为刚体且忽略变形反馈影响的情况下，运用有限元软件分析了航空薄壁口框零件铣削的加工变形。同时，该模型中施加的铣削力是根据经验公式估算的切削力平均值，不能反映铣削加工中铣削力周期性波动的特点以及铣削力沿刀刃方向的分布规律，对变形量的预测精度有一定影响。Ratchev 等则应用神经网络理论和有限元分析方法，建立了薄壁件铣削过程中加工变形和表面误差的柔性预测模型。之后，Ratchev 等通过采用有限元分析方法，建立了考虑切入、切出角变化的工件变形和表面误差的柔性预测模型。1.2.2.2 刀具变形和工件变形同时考虑的模型 Kline

25、等较早研究了三边夹紧固定，一边自由边界条件的矩形薄壁板的铣削变形模型。该模型的特点在于同时考虑刀具和工件变形，且因工件夹持刚度较大，忽略了刀具和工件变形的耦合效用。为寻找刀具和工件变形的耦合关系，Sutherland 等从理论上提出考虑了刀具变形和工件变形的瞬时未变形切屑厚度和表面误差的计算方法。Budak 等证实在静态铣削过程中，瞬时未变形切屑厚度收敛于名义值。因而文献在研究同时考虑刀具变形和工件变形的耦合模型时仅考虑对径向切削深度的修正，而不考虑对瞬时未变形切屑厚度的修正，通过使用迭代算法分析刀具和工件变形的耦合效应以及加工过程中的材料去除效应。Budak 等使用了轴向等长的等效圆柱悬臂梁

26、单元建立刀具模型，Tsai 等则提出使用轴向等长的预扭梁单元。然而，该建模方法必须要求刀具单元与工件单元相对应，以保证在算法上刀具单元上的切削力向工件单元上的等效加载，这种方法极大地限制了其在处理复杂零件如带孔圆弧面零件中的应用。于是，万敏等在此基础上，提出了一种采用非规则有限元网格对结构进行离散的方法，为复杂零件的网格划分提供了一种通用方法。此外，张智海等使用铣削力/铣削扭矩和瞬时未变形切屑厚度的关系，建立了端铣情况下工件表面误差的预报模型。该模型考虑了刀具变形、工件变形以及机床变形等因素，但没有考虑刀具变形与工件变形的耦合效应。在薄壁件加工变形的有限元分析中，另外一个活跃的研究领域是加工过

27、程材料去除模型的研究。Sagherian 等研究了一种动态切削模型，用自动网格划分技术来达到模拟材料去除的效果。Ratchev 等建立了 Voxel 切削算法模拟材料切除。郭魂等则采用有限元软件自带的生死单元技术实现材料的去除。1.2.3 加工变形的控制研究 工艺优化和误差补偿是控制变形误差的关键性环节，众多学者采用不同的技术和方法对这一问题进行了大量的研究和探索。日本的岩部育洋采用双轴机床分别从零件两侧同时加工，从而抵消薄壁的变形。Kline 等采用控制切削力的思想，研究了圆弧走刀过程中单齿进给量的控制方法。Budak 等人也从控制最大变形误差的角度研究了单齿进给量的控制方法。Law 等研究

28、了基于刀杆变形的腔槽加工过程的误差补偿方法，但该模型没考虑工件变形，不适合薄壁件加工中的应用。Cho 等在试验统计数据基础上研究了简单零件的误差补偿方法，同样不适合复杂零件的补偿。Raksiri 等用神经网络方法来对变形进行补偿。Wang 等用递归方法来修正刀具路径。Lee 等用试验手段来修正刀具轨迹。Ratchev 等在考虑预测加工变形的基础上，通过修正单方向刀具路径来补偿加工变形，并且结合有限元分析的低刚度零件进行多步切削模拟的方法和集成体系结构，同时开发出薄壁零件多步切削加工模拟环境的软件原型。针对薄壁零件的高速加工研究作为减少薄壁件变形又一方法，Smith 等采用高速铣削来控制铝合金零

29、件的加工变形。 国内针对这一问题的研究相对较晚，主要集中在浙江大学和南京航空航天大学以及北京航空航天大学。中国物理工程研究院孔金星针对薄壁零件的精密加工，提出了优化工件结构、改进工装、采用高速切削等方式定性控制变形的方法。郑联语等研究了改进薄壁零件数控加工质量的进给量局部优化方法，定性地提出修改切削参数、确定关键区域等优化手段。刘艳明等基于 K-L 神经网络优化方法，建立了机械加工中切削用量的一种优化模型，进行刀具路径的规划。武凯等在分析了立铣的空间力学模型的基础上，利用有限元软件模拟了航空薄壁件的加工变形规律，并给出了优化的切削参数。王志刚等提出一种误差补偿方法来减少让刀误差，从而控制薄壁件

30、的加工精度。通过分析和实验建立切削力模型，运用有限元软件对典型薄壁框体零件的加工变形进行分析计算，根据有限元分析结果，提出精加工数控编程时使刀具在原有走刀轨迹中根据变形程度附加一个偏摆，补偿因变形而产生的让刀量，可基本消除让刀误差。在此基础上，李益锋等考虑两个方向上对刀具轨迹进行修正，更进一步提高了补偿精度，但仅对矩形板零件进行了补偿，而没有对复杂零件加工进行补偿。从以上文献综述表明，目前研究工作只是基于简单薄壁零件的变形补偿开展研究，而适用于复杂薄壁零件的加工工艺参数优化及误差补偿的仿真技术还很不成熟。1.3.1 论文研究目标 建立薄壁零件数控加工变形分析以及控制方法。改善工件的加工精度和表

31、面质量，提高加工效率，从而为实现薄壁零件自适应数控侧铣加工奠定理论基础。1.3.2 论文研究内容 本文以薄壁零件数控侧铣加工的加工变形为研究对象，从理论上深入分析薄壁件加工变形机理，然后结合加工实验和数值计算技术，建立薄壁件数控加工铣削力预测模型。在建立铣削力模型的基础上，运用有限元分析方法建立数控加工过程有限元模型，通过数值仿真计算，利用理论分析和实验研究相结合的方法研究薄壁件的加工变形规律，利用有限元模拟分析代替大量的实验研究工作优化刀轨。具体研究内容如下：1) 在分析正交切削和斜角切削原理的基础上，研究平头立铣刀的空间力学模型建立，并详细介绍确定铣削力系数的算法。2) 基于铣削力模型，分

32、析薄壁件结构特征及具体加工工艺，建立薄壁件加工变形有限元分析模型。在此基础上，针对不同的薄壁零件，利用 ANSYS求解器进行薄壁件加工变形的误差计算。通过数值计算结果分析，确定薄壁件铣削变形规律，并提出补偿方案，为刀轨优化奠定了基础。3) 在理论分析和数值计算基础上，通过实验验证铣削力模型和有限元仿真模型的可靠性及刀轨优化方案的有效性。1.3.3 论文主要创新点1、基于分析侧铣加工特点，建立了侧铣加工的静态力学模型，为有限元模型提供了准确的力学边界条件。2、建立受力模型、变形模型、材料去除算法，通过各模块之间的迭代达到一个平衡状态，实现对加工变形的较准确预测。3、开展叶片曲面侧铣加工变形数值模拟，并提出了数控补偿策略。1.4 本章小结 通过系统分析薄壁件加工的研究背景和现状，阐述了本文的研究意义、主要研究内容和创新点。19