航空鋁合金高薄緣條類零件數控加工策略優化

李華溢,劉標,徐繼文

沈陽飛機工業(集團)有限公司

1 引言

以鋁合金為原材料的零部件在航空產品中占有極高的比重,緣條指結構件邊緣的立面,在飛機機體結構中起隔離、支撐和搭接等作用,工程實際中普遍將高度與厚度比值超過30：1的緣條結構定義為高薄緣條。

實際加工中,高薄緣條類零件在數控銑削加工過程中極易發生振顫,這種振顫一般歸因于零件結構抵抗切削力引發變形的能力不足,由于零件毛坯受到刀具切削力作用后,除了發生切屑脫落還會發生一定程度的彈性變形[1],伴隨銑刀的切入和切出,切削力周期性作用于被加工表面,零件緣條則伴隨著變形發生高頻振動,繼而出現加工噪音大、被加工表面出現“豎條”狀條紋等現象(見圖1),嚴重時導致零件厚度超差。

圖1 高薄緣條表面加工缺陷

科研人員和工程人員一般通過優化加工參數、改進加工策略等手段降低切削力、提高加工系統剛性,進而實現鋁合金高薄緣條的精準制造。張自平[2]通過高速銑削鋁合金實驗指出,較小的軸向切深和較大的徑向切深可得到較小的切削力和較好的表面質量;白萬金等[3]對航空薄壁件對稱及階梯對稱銑削進行了仿真研究;鄭耀輝等[4]通過有限元分析和試切實驗研究了不同加工順序(左右對稱、分層對稱、階梯對稱和金字塔對稱四種加工順序)對薄壁件加工變形的影響,得出金字塔對稱加工方法可有效減小加工變形,但是加工流程安排較為復雜;申運鋒等[5]提出一種銑削加工過程的仿真分析方法,并驗證了階梯對稱走刀方式的加工變形量最小。工程中較為常見的處理方案是在高薄緣條內形一側預留3～5倍的加工余量,同時降低切削深度,增強工藝系統剛性。

大量的工程實際證明上述方法對高薄緣條數控加工振顫起到了較好的抑制作用,但是加工效率受到較大的影響,制造周期成倍增長。因此,本文提出一種既能降低高薄緣條類零件加工振顫,又能同時提高加工效率的數控加工工藝優化策略。

2 高薄緣條加工振顫機理分析

圖2a為鋁合金高薄緣條零件加工過程中的剖面示意圖。零件采用真空夾具進行夾緊,加工區域的受力分析如圖2b所示,底部自由度完全定位,頂端則處于自由狀態,因此可將這種加工方式簡化為懸臂梁力學模型,如圖2c所示。這一力學模型在自由端抵抗變形的能力最弱,受切削力作用后,撓度ω和轉角θ是度量變形的兩個基本量。

(a)緣條加工時剖面狀態

撓度ω的力學公式為

(1)

轉角θ的力學公式為

(2)

式中,F為切削時的徑向力;l為緣條頂端到底部的長度;E為材料彈性模量,僅與材料類別有關;I為材料橫截面對彎曲中性軸的慣性距,與零件橫截面幾何形狀有關,相同幾何形狀,I與厚度值成正比。

度量變形的兩個基本量撓度ω和轉角θ反映了加工部位受力之后的變形量極值,伴隨銑刀刃周期性地切入和切出,切削力的作用周期成為加工振動的頻率f,則撓度ω和轉角θ即成為振動的振幅A,當被加工部位抵抗變形的能力較弱,即撓度ω和轉角θ較大時,振動的振幅A較大,當刀刃切出切削力卸載時,被加工部位回彈較大,表現為加工時發出尖銳刺耳的噪音。當刀具被看作剛體時,由于被加工部位回彈,被加工表面出現豎直條紋。

分析式(1)和式(2)可知,在切削力相同的情況下,同一材料零件緣條的高厚比(高度和厚度的比值)越大,則緣條抵抗變形的能力越差,應變量隨之增大,緣條頂端是整個加工系統中應變最大的部位,因此實際表現為緣條立面上半部分的豎直條紋現象較為明顯,當豎直條紋深度超過零件緣條厚度公差時將導致零件報廢。此外,加工幅同時受緣條高度和長度跨度的復合影響,緣條長度方向的跨度尺寸對加工振幅產生正影響,即長度方向的跨度尺寸越大,緣條的加工振幅越大。

3 高薄緣條加工策略的優化

綜上可知,高薄緣條加工振顫現象與零件加工系統剛性成反比,即零件加工系統剛性越弱,高薄緣條加工振顫現象越顯著,因此提高零件加工系統剛性(即抵抗變形能力)是解決加工振顫的關鍵。

根據上述加工振顫理論與剛性影響因素分析,當設計部門給定材料牌號及狀態、零件緣條尺寸與結構后,加工變形的影響因素即已經確定,因此在不提高加工周期以降低切削力的前提下,本文提出改變工藝連接位置方法,將零件與毛料邊的工藝連接設置在高薄緣條懸空端,通過限制緣條邊界自由度來增加高薄緣條結構的加工系統剛性。

改進后零件緣條加工時的剖面狀態如圖3a所示,加工部位受切削力和壓緊力(采用真空類夾具)的受力分析如圖3b所示,兩端自由度被限制,因此在改變工藝連接位置后高薄緣條在切削過程中可簡化為簡支梁力學模型。如圖3c所示,這一力學模型在高度方向的中點為剛性最差區域,即緣條高度的1/2處是整個加工系統中應變最大的部位,受力后撓度ω和轉角θ是度量變形的兩個因素。

(a)緣條加工時剖面狀態

撓度ω的力學公式為

(3)

轉角θ的力學公式為

(4)

式中,F為切削時的徑向力;l為緣條頂端到底部的長度;E為材料的彈性模量,僅與材料類別有關;I為材料橫截面對彎曲中性軸的慣性距,與零件橫截面幾何形狀有關。在相同幾何截面形狀情況下,厚度越大,I越大。

經對比可知,在同等工況下,改變工藝連接位置后的高薄緣條最大撓度是傳統方案的1/16,最大轉角是傳統方案的1/8,即新方案結構抵抗切削力變形的能力是傳統方案的16倍,最大形變量是傳統方案的1/8。由此可以從理論層面證明:改變工藝連接位置,即在高薄緣條懸空端增加零件與毛料之間的工藝連接方法,可以改善高薄緣條數控加工振顫,此外沿緣條長度方向分布的工藝連接還可以抑制緣條長度方向的跨度尺寸對加工振動幅度的影響。

4 有限元仿真試驗分析

相較于切削實驗,有限元方法具有更好的細節捕捉能力和經濟性,因此被越來越多地應用于工程實際[6]。為了驗證工藝連接位置的改變對零件加工系統剛性的影響,檢驗改變連接位置的被加工部位受力后引起的形變改進效果,借助ABAQUS軟件,采用相同載荷條件(正壓力0.0003MPa)、相同材料(7050-T7451鋁合金,主要物理性能見表1)以及相同網格劃分算法(Hex網格,尺寸2.5mm,C3D20R)分別對上述傳統加工方案和優化后的加工方案在各自剛性最薄弱位置受力后的變形進行分析對比。仿真分析對象設定為150mm×50mm×72mm的L形零件,壁厚2mm,如圖4所示。

表1 常溫下7050-T7451鋁合金的主要物理性能[7]

仿真采用對稱簡化,即在對稱中心施加對稱邊界條件(邊界條件設置為U1=UR2=UR3=0),僅對一半結構特征進行運算以降低運算量。

如圖5和圖6所示,優化前后的仿真結果表明:優化前,緣條受力后在剛性最薄弱位置(緣條頂端中心處)的最大變形量為0.4155mm,改變工藝連接位置后在剛性最薄弱位置(緣條高度一半位置中心處)的最大變形量為0.0032mm,因此,改進前緣條受力后變形量約為改變工藝連接位置的加工方案的129倍,即增加工藝連接的加工方案抵抗受力變形的能力較改進前有較大改善。

圖6 優化前后的應變對比

由此可知,優化后的工藝系統中,伴隨衡量變形的兩個基本量(撓度ω和轉角θ)降低,銑刀刀刃周期性切入、切出形成振動的振幅A也隨之降低,刀刃切出且切削力卸載時被加工部位回彈減小,加工噪音減弱,被加工表面豎直條紋深度減小甚至消失。

5 實例驗證

為了驗證本文提出的改善高薄緣條數控加工振顫的方法在實際制造環境下的有效性,以高薄緣條結構的試件為加工對象,其極限高度(弦長)為133mm,厚度為2mm,跨度275mm,沿緣條邊緣每間隔100mm預留長、寬為20mm,厚度為2mm的工藝連接,采用五坐標龍門式數控銑床進行切削實驗,實驗設備信息及工藝參數如表2所示。

表2 實驗設備信息及加工參數

圖7為切削實驗得到的試件表面狀態,在緣條頂端增加了工藝連接的高薄緣條加工試件表面沒有明顯的條紋和其他缺陷,使用粗糙度對比樣塊檢驗發現,被加工表面粗糙度均滿足Ra3.2。

圖7 加工結果

在工程應用中,制件的結構厚度直接影響機械加工零件(尤其是結構類零件)的使用強度,被加工結構的厚度及厚度波動是機械加工質量體系中最重要的衡量指標之一,本文使用超聲波測厚儀沿133mm高緣條處高度方向每隔10mm取點采集測量加工表面厚度值,厚度分布曲線如圖8所示。

圖8 被加工表面厚度分布曲線

可以看出,被加工表面厚度值波動范圍為1.9～2.1mm,偏差值為-0.1～+0.1mm,符合當前航空制造領域機械加工零件的厚度公差許用范圍。

6 結語

本文針對鋁合金零件數控加工中常出現的高薄緣條加工變形問題,分析了高薄緣條加工振顫發生的基本原理和影響因素,并建立了力學模型,提出一種改變工藝連接位置的加工方案。通過改變高薄緣條受力與約束狀態,增強了被加工部位的剛性以抵抗加工變形引發的振動;通過有限元仿真軟件模擬了改進前后的加工狀態,并對比了加工變形狀態;通過實物加工驗證了改進后加工方案對加工變形的影響,并對被加工表面粗糙度和厚度進行了測量。

有限元仿真軟件模擬對比結果表明:改進前緣條受力后在剛性最薄弱位置的最大變形量是增加工藝連接后的129倍。切削加工實驗結果表明:采用增加工藝連接的高薄緣條加工方案,被加工表面粗糙度滿足Ra3.2,厚度偏差為-0.1～+0.1mm。因此,本文提出的改變工藝連接位置的加工方案可有效解決數控加工過程中的振顫問題,改善被加工表面的質量,且具有較好的加工效率,在工程實際中具有較高的推廣價值。