1、70航空制造技术2023年第66卷第3期FORUM论坛引文格式：刘述明,扈博琴,张春龙,等.基于浮动装夹自适应加工工艺的薄壁件加工变形控制技术研究J.航空制造技术,2023,66(3):7077.LIUShuming,HUBoqin,ZHANGChunlong,etal.Researchondeformationcontroltechnologyforthin-walledpartsbasedonresponsivefixtureadaptivemachiningprocessJ.AeronauticalManufacturingTechnology,2023,66(3):7077.基于浮动装
2、夹自适应加工工艺的薄壁件加工变形控制技术研究刘述明，扈博琴，张春龙，罗兆柱（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨 150066）摘要 航空薄壁件尺寸大、壁薄、材料去除率高，极易发生加工变形问题，严重影响零件加工质量，因此航空薄壁件的加工变形控制具有重要的意义。以某传扭转接盘作为研究对象，基于加工过程中的监测变形力重构毛坯全局残余应力分布，优化了零件的加工位姿，并结合浮动装夹自适应加工工艺实现了零件的加工变形有效控制。实际加工试验将零件的平面度和平行度分别控制在 0.11mm 和 0.04mm，结果表明，该方法能显著控制工件加工变形。关键词：薄壁零件；变形控制；残余应力；浮动装夹；变形力DO
3、I:10.16080/j.issn1671-833x.2023.03.070刘述明 高级工程师，硕士，研究方向为航空扁平类机匣加工变形控制、航空箱体类机匣高效加工工艺、航空机匣类零件数字化制造技术。过大量工程技术人员的不懈努力与反复尝试，许多的工艺措施得到了实施和完善，有很多精度要求较高的薄壁零件在传统的车、铣、刨、磨的加工方法下制造成功，确保了零件的加工质量4。林勇等5在零件装夹时预先给零件施加一个与之变形方向相同的应力，零件加工时，内部残余应力与零件克服装夹预应力相互耦合，最终实现零件加工变形控制，其中，装夹预应力大小根据薄壁弧形框精加工后侧弯收缩量约为 0.6mm 的经验确定。由于薄壁件
4、种类繁多，而且多为小批量生产，这种依靠经验试错的方法需要在正式生产前对零件进行大量的试切试验确定，耗费大量的人力、物力与时间。此外，由于材料批次的差异、加工过程中切削参数变化等不稳定因素的影响，这类通过经验确定的工艺策略往往伴随着很大的随机性，难以保证零件的合格率。航空薄壁件一般指的是壁厚与内径曲率半径（或轮廓尺寸）之比小于 120 的零件1，是航空航天器的重要组成部分，这类零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，但在制造过程中易发生弯曲、扭转以及弯扭组合等复杂的加工变形问题。加工变形问题一直是材料领域、设计领域和制造领域共同关注的研究热点。航空薄壁件加工的技术水平和生产能力是国家制造业实力
5、和国防科技工业现代化水平的综合体现2，同时新一代飞机追求更为极致的综合性能，也对航空航天构件的加工精度提出了更高的要求3。然而，现有的变形控制方法对大型结构件加工变形控制仅能达到每米零件 0.2mm，而新一代飞机结构件的最大允许变形量为每米零件 0.05mm，这对现有制造技术提出了严峻挑战。国内外专家学者与技术人员针对加工变形问题开展了大量研究，这些研究按控制方法的决策方式可主要分为基于经验试错的方法和基于加工仿真的离线加工变形控制方法。基于经验试错的方法进展如下：经712023年第66卷第3期航空制造技术薄壁件加工状态监控与变形控制Processing State Monitoring an
6、d Deformation Control of Thin-Walled Parts基于加工仿真的离线加工变形控制方法的进展如下：经过多年的研究，在金属切削理论、切削加工模型建立以及加工仿真方面的研究均取得了很大的进展。因此加工仿真也成为加工变形控制的重要方式，其主要是借助有限元模拟技术对切削过程中薄壁件侧壁、腹板、整体变形进行加工仿真，预测该工艺下的加工变形规律，从而预先调整工艺减小加工变形。Wang 等6使用有限元软件 MSC 模拟了铝合金材料的加工去除过程，分析了加工变形产生的原因，提出残余应力的释放是大型薄壁件加工变形的主要原因。Cerutti 等7通过分层法获得铝合金毛坯初始残余应力
7、分布，并 基 于 FORGE 开 发 了 一 种 新 的加工仿真方法，将测量应力输入仿真模型获得了加工变形，最终仿真变形与试验变形有良好的一致性。Abdullah 等8针对薄壁件变形预测问题，通过有限元方法分析材料去除过程，并使用统计回归方法建立切削残余、零件属性与变形的关系，获得 Ti6Al4V 合金零件侧壁的加工挠度。林锋等9建立加工变形的力学模型及其相应的有限元方法，揭示毛坯初始几何误差对零件变形的影响规律，以最小变形为目标建立加工位置的优化模型，根据相邻两个加工位置的增量不超出阈值这一条件，提出了优化模型的步长递减算法。孙启梦等10针对径厚比极大的铝合金薄壁件易加工变形的问题，开展基于
8、有限元显式动力学的铣削过程仿真研究，在相同材料去除率下，分析了转速、切深及每齿进给量的组合条件对切削力与变形的影响。张春燕等11利用有限元软件ABAQUS 模拟了铣削过程，建立了单因素试验和 4 因素 3 水平正交试验，分析了检具铣削时各工艺参数对工件加工变形和材料去除率的影响规律。以上，相较于经验试错方法，基于加工仿真的方法建立了零件加工变形的机理模型，通过数值分析可得出更为稳健的加工变形控制工艺策略。同时加工仿真代替了经验试错方法中的试切试验，可大大减少产品生产的准备周期，降低生产成本。残余应力作为引起加工变形的关键因素，是加工仿真的重要基础。准确测量残余应力是保证加工仿真准确性的关键所在
9、。残余应力的测量方法主要包括破坏性试验法和非破坏性试验法：破坏性试验法主要有钻孔法1213、剥层法1415、纳米压痕法1617等，这类方法的原理就是释放存在材料内部的原始应力，通过测量该过程所产生的应变位移并反求出残余应力值，该方法的问题是残余应力测量后零件的结构也会遭到破坏，无法进一步使用；非破坏性试验法主要有 X 射线衍射法1819、超声法2021、中子衍射法2223等无损检测方法，但这类方法目前只能检测表面或近表面的残余应力。通过以上分析，残余应力测量方法大多比较复杂且昂贵，测量范围和精度受限，而且不同毛坯件的残余应力分布也存在较大差异。综上所述，现有残余应力测量方法仍存在很大的局限性，
10、迫切需要一种精确在线推断航空薄壁件初始残余应力场的方法。基于监测变形力重构当前毛坯全局残余应力场的方法是精确获取当前零件残余应力的重要途径，以变形量预测精度作为残余应力场推断误差评价指标，该方法与钻孔破坏法相比，求解结果的均方根误差平均降低了 87.1%24。因此，本文针对航空薄壁件加工变形问题，以某传扭转接盘作为研究对象，采用上述基于变形力的残余应力重构法对当前加工零件的初始残余应力场进行推断实现残余应力重构，进而结合浮动装夹自适应加工工艺实时调整优化加工变形控制策略，可有效控制零件的变形。1 残余应力场重构方法1.1 浮动装夹自适应加工原理浮动装夹加工工艺是一种集监测、装夹、浮动于一体的加
11、工工艺方法，具有在加工过程自适应释放、监测并消除零件变形的功能。在切削加工的间隙，浮动装夹可以根据装夹装置监测到的装夹作用力，在保证定位基准的条件下，自适应调整装夹和加工工艺，通过进一步的加工工艺消除零件变形。浮动装夹自适应加工原理主要包含自适应装夹与数据监测两部分。浮动装夹通过将零件脱离工作台进行加工，使零件在加工过程中可以充分释放变形，同时通过固定装夹单元保证工件定位基准，保证加工工件的加工质量。浮动装夹自适应加工的装夹原理如图 1 所示，中间 3 个固定装夹单元完全定位零件，保证加工的基准，周围的浮动装夹单元和辅助支撑单元则能够保证变形释放并重新装夹。装夹装置中嵌入压力传感器，能够在零件
12、加工的过程中监测装夹点的零件与装夹装置之间作用力的变化。通过监测零件的变形力的变化，一方面了解零件的整体变形状态和变形趋势，分析在当前变形状态下夹紧零件是否能够在毛坯包络体内加工出合格的零件；另一方面，根据零件的整体变形状态，分析零件变形的规律，从而根据零件的变形量调整加工工艺，进一步减小加工零件的整体变形。与传统预测方法相比，浮动装夹将由不确定性因素导致的加工变形精确预测难题转化为基于变形力、加工变形监测数据等确定性因素的问题求解，为加工变形的精确控制提供了新的思路。1.2 基于变形力重构当前毛坯全局 残余应力场毛坯制造过程中会经历不均匀的温度变化，其内部会发生不均匀的72航空制造技术202
13、3年第66卷第3期FORUM论坛弹塑性变形、相变等，会产生残余应力场。初始状态下，毛坯内残余应力保持平衡，零件不会发生变形。但在加工过程中随着材料的去除，工件内部的应力平衡被打破，应力场发生重平衡，零件发生变形，如图 2 所示。根据弹性力学，零件材料去除后不平衡的初始残余应力叠加会形成弯矩 My、Myx、Mxy、Mx和剪力 Fy、Fx，零件受上述弯矩和剪力的作用发生变形，即MMMxxhyxyxhxyx yx y z z zx yx y z z zx y(,)(,)(,)(,)(,)=dd00 x xyhyyhxxzx y z z zx yx y z z zF x yx y z z(,)(,)(
14、,)(,)(,)dd00=Md ddzF x yx y z z zhyyzh00=|(,)(,)（1）式中，My、Myx、Mxy、Mx表示不平衡的初始残余应力形成的弯矩；Fy、Fx表示不平衡的初始残余应力形成的剪力；x（x，y，z）、y（x，y，z）分别表示材料内部 x 向残余应力和 y 向残余应力；yx（x，y，z）、xy（x，y，z）、yz（x，y，z）分别表示材料内部 3 个方向的切应力；z 表示厚度方向坐标；h 表示材料厚度。在加工过程中，随着零件材料的去除，零件内部残余应力会发生重平衡，由于夹具的限制，夹具的装夹力与残余应力平衡，装夹力发生变化，将由残余应力引起的装夹力变化值记作变形
15、力（变形力是与零件残余应力场相关的物理量，可以通过在夹具中布置力传感器监测零件变形）。工件内部不平衡残余应力的等效外载荷为q x yyx yxyxyx(,)=+222222MMM（2）式中，q（x，y）为等效外载荷。当变形受到约束时，等效外载荷作用在装夹点上产生变形力，因此等效外载荷等于变形力 q（x，y），即q x yx y z z zyx y z z zx yxyhxyhx(,)(,)=+2022022dd,)y z z zxhd02 q x yx y z z zyx y z z zx yxyhxyhx(,)(,)(,)(=+2022022dd,)y z z zxhd02 xx(2dd,)
16、y z z zxhd02（3）基于变形力可以根据反问题求解方法求解零件残余应力场，基本流程如下：根据残余应力场在线推断方法，在保证不影响零件最终尺寸的条件下，根据加工余量设计加工区域，用于重构残余应力场，之后在仿真环境下建立变形力与残余应力之间的求解矩阵 K，在实际加工过程中，采集加工过程中产生的变形力数据 F，最后通过变形力数据 F 与求解矩阵 K 重构毛坯的残余应力场，流程如图 3 所示。=K F（4）2 试验过程与讨论以某传扭转接盘为研究对象，材料为 7475T7351 铝合金，弹性模量与泊松比分别为 71.7 GPa 和 0.33，零件长约 560mm，宽约 400mm，最大厚度约 15mm，最薄厚度约 4.5mm，其几何形状如图 4 所示。本文将加工过程划分为重构残余应力场、粗加工、精加工 3 个阶段，如图 5 所示，首先在重构残余应力场阶段，基于变形力重构当前毛坯全局残余应力场，进而结合 ABAQUS 有限元软件迭代优化，确定零件在毛坯中所处的最佳加工位置，实现粗加工过程中的余量分配，同时结合浮动装夹自适应加工方法25，在粗加工过程中控制零件产生的加工变形。在精加工阶段，零