加工过程中负载薄壁件加工的误差补偿方法探究

□张 帆

我国工业在全球化发展背景下，正在积极转型发展，以期从传统的粗放型发展模式转变为现代化高质量发展，提高加工的精准度、智能化与个性化，满足用户的多元化需求以及现代化社会建设发展。误差补偿法的探讨主要是由于加工过程中为确保精度，须针对工件进行精准度控制，依据加工中出现的弹性变形、热误差以及几何误差等多种误差源，探讨建模法、薄壁零件加工表面静态误差预测及补偿技术等实施作用。以薄板工件、双三次B样条的实际加工与误差验证为例，以寻求在实际加工过程中可有效提高薄壁件加工精度的误差补偿方法，改进工业薄壁件加工技术，优化运用各种误差监测或预测与补偿技术。

一、负载薄壁件实际加工中的误差控制要求

工业生产中控制好工件误差，才能够提高产品生产质量，所以在工业生产与加工中要尤为注重工件加工误差的控制，特别是负载薄壁件，其性能及用途决定着工件加工的精确度，在加工中对热误差、弹性变形以及几何误差等要求特别高。例如航空、航天领域中主要是采用整体叶轮的一体式结构进行负载薄壁件加工，既能够减少发动机零件数量，也凭借多轴联动数控铣削方法实现工件的加工成型，有效提高加工效率。而整体叶轮的叶片为薄壁结构，在数控铣削中会造成弹性变形，产生加工误差。在工件实际加工过程中，薄壁工件加工误差的控制一直都是精密加工的难点与关键。

特别是国防、运载和能源等行业对薄壁结构工件的需求量大，既希望薄壁结构减轻重量，又要求工件具有较高的结构强度与性能，可以满足其使用性能需求。为控制好薄壁结构，针对各个领域的应用需求，将薄壁工件加工成满足用户所需的产品，实现精确度高并有效避开其刚度差和易变形的缺点，必须要控制好弹性变形、热误差及几何误差等多种误差源，有效控制误差，同时在加工过程中适时采用误差补偿加工，以提高产品精度。无论是薄板加工、整体还是基于双三次B样条插值的薄壁件、整体叶轮加工，都需要在不影响加工过程以及加工标准的前提下，针对各种误差源进行针对性的误差预测、误差分析以及补偿技术应用等等，寻找合适的加工参数补偿加工误差，以优化加工效度与精度。

二、加工过程中负载薄壁件加工常用的误差预测方法

误差预测在实际加工中都是以误差模型为主，例如KLINE提出了铣削变形模型，以三边夹紧一边自由状况下，依据矩形薄板的加工过程，建立起铣削变形模型，不过由于未考虑刀具与工件变形的耦合效应，模型的应用价值不高；我国万敏等在力学性能与力学方法的基础上，构建了薄壁件的切削力模型，针对周铣加工过程预测刀具与工件的变形，并采用线性规划方法寻找适合的加工参数，补偿加工误差；HABIBI则用力学模型构建模拟刀具变形过程，预测工件集合误差。整体叶轮则是通过几何造型模拟刀位轨迹的生成，联合B样条技术实现曲面偏置、曲面延伸、曲面裁剪等过渡算法，并在几何造型上进行半开式的整体叶轮数控铣削加工工艺流程设计，解决了粗加工分层的关键问题，建立起相应刀触点的误差计算模型，从而实现误差预测与寻找误差补偿加工参数。

现代化工业高速发展以来，不少研究者在信息技术、模拟技术以及软件工程等，综合考虑集合、物理误差源等，解析建模困难，进行误差预测与补偿。例如RATCHEV在有限元仿真的基础上，使用神经网络理论与有限元分析方法，针对薄壁件建立了柔性预测模型铣削加工过程，构建了柔性预测模型。王志刚则是在分析与试验的条件下，建立切削力模型，采用有限元分析方法对典型薄壁框体零件加工变形进行研究，认为可以采用数控补偿方法减少加工误差。这些软件以及信息技术的应用，改变了传统数字分析过程，可模拟加工过程、再现刀触点加工轨迹等，实现多元化的误差分析与补偿技术探究。不少由于模型建设中可能会出现因素分析不足的问题，对零件精度的分析不够深入，就这方面的研究还有待加强。

三、加工过程中负载薄壁件加工的误差补偿方法

构建模型的目的是为了求解模型，针对加工中存在的误差源进行一一求解，并明确加工中误差对加工精度的影响。模型求解中，存在两个关键问题，一是数控铣削加工过程中存在刀具扫描体的求解，二是须构建共建曲面建立与更新Z-map模型。

五轴数控铣削加工过程刀具扫描体的求解，应根据包络理论针对加工过程中的刀位点的轨迹，推导出包络轮廓线方程。在实验装置与加工条件设定标准下，设定好切削参数，采用对A板GLOBALSTATU S121510三坐标测量机确定最后一层的切削加工，获取薄板的加工误差数据，选择数据构造的双三次B样条插值曲面，在数据描点中在同一坐标系中，拟合薄壁件加工过程。利用直线与自由曲面的求交算法，将获得的拟合曲线结合刀具扫描体，构建曲面Z-map模型，并将获取的Z-map模型采用布尔运算，更新模型数据以及补充模型缺陷。建立好模型之后，根据薄壁件的加工的刀位特点，依据刀具倾角因素，构建平均铣削力经验公式：

Fz=-200.2713×(Na p/π)·ft-0.6733×Na p/2

(公式1)

设计相应的多因素正交试验，将具体的实验数据带入，以获取经验公式的系数，验证叶片五轴数控铣削加工过程的预测结果。再考虑铣削力与弹性变形的耦合效应，从切削深度以及切削宽度和刀轴倾角等多个切削因素入手，确定迭代计算的反馈变量，基于自由曲面薄壁叶片加工过程多个阶段，依据铣削力与弹性变形量的迭代格式，利用专业的软件，例如Matlab和Ansys，根据自由曲面薄壁叶片的实例过程，计算各个刀触点的弹性变量，寻找薄壁叶片加工实例的弹性变形规律。另外，将获得的误差模型、切削力模型与弹性规律，加工刀位轨迹等，基于双三次B样条插值曲面的加工误差补偿方法，获取各个刀位点的最终加工切深补偿量。为验证结果，可选用新的薄板进行对照加工，在相同条件设置下对薄板进行最后一层切削加工，将获得的误差与模型误差进行比对，取三次加工的平均误差值，以提高负载薄壁类工件的加工精度。

四、结语

综上所述，在加工过程中，负载薄壁件的加工精度要求较高，误差补偿方法选择中，先要构建工件加工误差模型，再求解模型、获取加工误差参数，以及弹性规律与加工刀位轨迹，选用双三次B样条插值曲面的加工误差补偿方法，提高薄壁件的加工精度。