航空铝合金高薄缘条类零件数控加工策略优化

李华溢,刘标,徐继文

沈阳飞机工业(集团)有限公司

1 引言

以铝合金为原材料的零部件在航空产品中占有极高的比重,缘条指结构件边缘的立面,在飞机机体结构中起隔离、支撑和搭接等作用,工程实际中普遍将高度与厚度比值超过30：1的缘条结构定义为高薄缘条。

实际加工中,高薄缘条类零件在数控铣削加工过程中极易发生振颤,这种振颤一般归因于零件结构抵抗切削力引发变形的能力不足,由于零件毛坯受到刀具切削力作用后,除了发生切屑脱落还会发生一定程度的弹性变形[1],伴随铣刀的切入和切出,切削力周期性作用于被加工表面,零件缘条则伴随着变形发生高频振动,继而出现加工噪音大、被加工表面出现“竖条”状条纹等现象(见图1),严重时导致零件厚度超差。

图1 高薄缘条表面加工缺陷

科研人员和工程人员一般通过优化加工参数、改进加工策略等手段降低切削力、提高加工系统刚性,进而实现铝合金高薄缘条的精准制造。张自平[2]通过高速铣削铝合金实验指出,较小的轴向切深和较大的径向切深可得到较小的切削力和较好的表面质量;白万金等[3]对航空薄壁件对称及阶梯对称铣削进行了仿真研究;郑耀辉等[4]通过有限元分析和试切实验研究了不同加工顺序(左右对称、分层对称、阶梯对称和金字塔对称四种加工顺序)对薄壁件加工变形的影响,得出金字塔对称加工方法可有效减小加工变形,但是加工流程安排较为复杂;申运锋等[5]提出一种铣削加工过程的仿真分析方法,并验证了阶梯对称走刀方式的加工变形量最小。工程中较为常见的处理方案是在高薄缘条内形一侧预留3～5倍的加工余量,同时降低切削深度,增强工艺系统刚性。

大量的工程实际证明上述方法对高薄缘条数控加工振颤起到了较好的抑制作用,但是加工效率受到较大的影响,制造周期成倍增长。因此,本文提出一种既能降低高薄缘条类零件加工振颤,又能同时提高加工效率的数控加工工艺优化策略。

2 高薄缘条加工振颤机理分析

图2a为铝合金高薄缘条零件加工过程中的剖面示意图。零件采用真空夹具进行夹紧,加工区域的受力分析如图2b所示,底部自由度完全定位,顶端则处于自由状态,因此可将这种加工方式简化为悬臂梁力学模型,如图2c所示。这一力学模型在自由端抵抗变形的能力最弱,受切削力作用后,挠度ω和转角θ是度量变形的两个基本量。

(a)缘条加工时剖面状态

挠度ω的力学公式为

(1)

转角θ的力学公式为

(2)

式中,F为切削时的径向力;l为缘条顶端到底部的长度;E为材料弹性模量,仅与材料类别有关;I为材料横截面对弯曲中性轴的惯性距,与零件横截面几何形状有关,相同几何形状,I与厚度值成正比。

度量变形的两个基本量挠度ω和转角θ反映了加工部位受力之后的变形量极值,伴随铣刀刃周期性地切入和切出,切削力的作用周期成为加工振动的频率f,则挠度ω和转角θ即成为振动的振幅A,当被加工部位抵抗变形的能力较弱,即挠度ω和转角θ较大时,振动的振幅A较大,当刀刃切出切削力卸载时,被加工部位回弹较大,表现为加工时发出尖锐刺耳的噪音。当刀具被看作刚体时,由于被加工部位回弹,被加工表面出现竖直条纹。

分析式(1)和式(2)可知,在切削力相同的情况下,同一材料零件缘条的高厚比(高度和厚度的比值)越大,则缘条抵抗变形的能力越差,应变量随之增大,缘条顶端是整个加工系统中应变最大的部位,因此实际表现为缘条立面上半部分的竖直条纹现象较为明显,当竖直条纹深度超过零件缘条厚度公差时将导致零件报废。此外,加工幅同时受缘条高度和长度跨度的复合影响,缘条长度方向的跨度尺寸对加工振幅产生正影响,即长度方向的跨度尺寸越大,缘条的加工振幅越大。

3 高薄缘条加工策略的优化

综上可知,高薄缘条加工振颤现象与零件加工系统刚性成反比,即零件加工系统刚性越弱,高薄缘条加工振颤现象越显著,因此提高零件加工系统刚性(即抵抗变形能力)是解决加工振颤的关键。

根据上述加工振颤理论与刚性影响因素分析,当设计部门给定材料牌号及状态、零件缘条尺寸与结构后,加工变形的影响因素即已经确定,因此在不提高加工周期以降低切削力的前提下,本文提出改变工艺连接位置方法,将零件与毛料边的工艺连接设置在高薄缘条悬空端,通过限制缘条边界自由度来增加高薄缘条结构的加工系统刚性。

改进后零件缘条加工时的剖面状态如图3a所示,加工部位受切削力和压紧力(采用真空类夹具)的受力分析如图3b所示,两端自由度被限制,因此在改变工艺连接位置后高薄缘条在切削过程中可简化为简支梁力学模型。如图3c所示,这一力学模型在高度方向的中点为刚性最差区域,即缘条高度的1/2处是整个加工系统中应变最大的部位,受力后挠度ω和转角θ是度量变形的两个因素。

(a)缘条加工时剖面状态

挠度ω的力学公式为

(3)

转角θ的力学公式为

(4)

式中,F为切削时的径向力;l为缘条顶端到底部的长度;E为材料的弹性模量,仅与材料类别有关;I为材料横截面对弯曲中性轴的惯性距,与零件横截面几何形状有关。在相同几何截面形状情况下,厚度越大,I越大。

经对比可知,在同等工况下,改变工艺连接位置后的高薄缘条最大挠度是传统方案的1/16,最大转角是传统方案的1/8,即新方案结构抵抗切削力变形的能力是传统方案的16倍,最大形变量是传统方案的1/8。由此可以从理论层面证明:改变工艺连接位置,即在高薄缘条悬空端增加零件与毛料之间的工艺连接方法,可以改善高薄缘条数控加工振颤,此外沿缘条长度方向分布的工艺连接还可以抑制缘条长度方向的跨度尺寸对加工振动幅度的影响。

4 有限元仿真试验分析

相较于切削实验,有限元方法具有更好的细节捕捉能力和经济性,因此被越来越多地应用于工程实际[6]。为了验证工艺连接位置的改变对零件加工系统刚性的影响,检验改变连接位置的被加工部位受力后引起的形变改进效果,借助ABAQUS软件,采用相同载荷条件(正压力0.0003MPa)、相同材料(7050-T7451铝合金,主要物理性能见表1)以及相同网格划分算法(Hex网格,尺寸2.5mm,C3D20R)分别对上述传统加工方案和优化后的加工方案在各自刚性最薄弱位置受力后的变形进行分析对比。仿真分析对象设定为150mm×50mm×72mm的L形零件,壁厚2mm,如图4所示。

表1 常温下7050-T7451铝合金的主要物理性能[7]

仿真采用对称简化,即在对称中心施加对称边界条件(边界条件设置为U1=UR2=UR3=0),仅对一半结构特征进行运算以降低运算量。

如图5和图6所示,优化前后的仿真结果表明:优化前,缘条受力后在刚性最薄弱位置(缘条顶端中心处)的最大变形量为0.4155mm,改变工艺连接位置后在刚性最薄弱位置(缘条高度一半位置中心处)的最大变形量为0.0032mm,因此,改进前缘条受力后变形量约为改变工艺连接位置的加工方案的129倍,即增加工艺连接的加工方案抵抗受力变形的能力较改进前有较大改善。

图6 优化前后的应变对比

由此可知,优化后的工艺系统中,伴随衡量变形的两个基本量(挠度ω和转角θ)降低,铣刀刀刃周期性切入、切出形成振动的振幅A也随之降低,刀刃切出且切削力卸载时被加工部位回弹减小,加工噪音减弱,被加工表面竖直条纹深度减小甚至消失。

5 实例验证

为了验证本文提出的改善高薄缘条数控加工振颤的方法在实际制造环境下的有效性,以高薄缘条结构的试件为加工对象,其极限高度(弦长)为133mm,厚度为2mm,跨度275mm,沿缘条边缘每间隔100mm预留长、宽为20mm,厚度为2mm的工艺连接,采用五坐标龙门式数控铣床进行切削实验,实验设备信息及工艺参数如表2所示。

表2 实验设备信息及加工参数

图7为切削实验得到的试件表面状态,在缘条顶端增加了工艺连接的高薄缘条加工试件表面没有明显的条纹和其他缺陷,使用粗糙度对比样块检验发现,被加工表面粗糙度均满足Ra3.2。

图7 加工结果

在工程应用中,制件的结构厚度直接影响机械加工零件(尤其是结构类零件)的使用强度,被加工结构的厚度及厚度波动是机械加工质量体系中最重要的衡量指标之一,本文使用超声波测厚仪沿133mm高缘条处高度方向每隔10mm取点采集测量加工表面厚度值,厚度分布曲线如图8所示。

图8 被加工表面厚度分布曲线

可以看出,被加工表面厚度值波动范围为1.9～2.1mm,偏差值为-0.1～+0.1mm,符合当前航空制造领域机械加工零件的厚度公差许用范围。

6 结语

本文针对铝合金零件数控加工中常出现的高薄缘条加工变形问题,分析了高薄缘条加工振颤发生的基本原理和影响因素,并建立了力学模型,提出一种改变工艺连接位置的加工方案。通过改变高薄缘条受力与约束状态,增强了被加工部位的刚性以抵抗加工变形引发的振动;通过有限元仿真软件模拟了改进前后的加工状态,并对比了加工变形状态;通过实物加工验证了改进后加工方案对加工变形的影响,并对被加工表面粗糙度和厚度进行了测量。

有限元仿真软件模拟对比结果表明:改进前缘条受力后在刚性最薄弱位置的最大变形量是增加工艺连接后的129倍。切削加工实验结果表明:采用增加工艺连接的高薄缘条加工方案,被加工表面粗糙度满足Ra3.2,厚度偏差为-0.1～+0.1mm。因此,本文提出的改变工艺连接位置的加工方案可有效解决数控加工过程中的振颤问题,改善被加工表面的质量,且具有较好的加工效率,在工程实际中具有较高的推广价值。