数控加工变形控制

数控加工变形控制策略目录1引言2影响数控加工变形原因3数控加工变形控制关键技术4工件残余应力稳定化处理5增强工件加工过程刚性6数控编程及切削参数优化技术7装夹系统优化技术8高速切削技术9物理仿真技术10加工后校形技术1、引言数控加工技术已经成为航空航天产品制造的关键技术之一。航空航天产品中有大量金属薄壁件，并向重量轻、精度高、结构复杂方向发展，例如飞机壁板、肋、梁、框、缘条、长绗以及座舱盖骨架等；而金属薄壁件的加工中存在装夹困难、容易变形、加工精度难以保证等问题，故金属薄壁件的加工工艺技术成为难点。如何使其加工工艺变得简单化、较好地控制变形，并高效率、高质量、低成本完成加工，成为数控加工工艺技术发展的一个重点。影响数控加工变形原因分析2、影响数控加工变形原因数控编程及切削参数优化技术装夹系统优化技术增强工件加工过程刚性技术物理仿真与变形误差补偿技术数控高速加工技术数控加工变形控制关键技术工件残余应力稳定化处理技术加工后校形技术3、数控加工变形控制关键技术4、工件残余应力稳定化处理冷热循环时效自然时效冷锻处理振动时效预拉伸处理稳定化处理人工热时效4.1预拉伸型材对于无纤维流向要求的零件和大多数有纤维流向要求的零件,均可改为预拉伸板材加工，但材料成本有所增加。由于板材内部残余应力较小，切削加工引起的残余应力失衡不会引起明显变形。目前数控加工的飞机整体壁板、整体梁、整体肋、复杂缘条、大型接头等各类大型铝合金结构件中已大量采取预拉伸板材，例如7050-T7451；必须注意材料状态最后一位为“1”时，不允许再进行人工时效处理。4.2坯料冷镦及校平工艺如果翼类件采用的是铝合金材料锻件坯块，采用独特的“冷镦”工艺，即锻打锻件坯块的两面，使其坯块在厚度方向上减薄5％～8％，使锻件毛坯产生预紧压应力，对减少工件加工变形效果明显。如果采用的是板料，经过下料加工后难免产生变形，可将板料放在平的橡胶或木墩上，用胶皮鎯头进行局部校形，或用橡胶板对板料反复翻面进行拍打。这些方法对于翼类件加工前毛坯的准备十分必要。4.3振动时效振动时效在国外称VSR（VibratoryStressRelief），振动时效对于消除、均化和减小金属构件的残余应力，提高工件抗动载荷变形能力，稳定构件尺寸精度有比较好的效果。目前针对重量较轻的薄壁零件，多采用智能型多级振动时效工艺和超声振动工艺。采用铝合金VSR多级振动时效消除应力工艺技术，匀化和消除铸铝件材料内应力和切削加工产生的内应力，稳定工件尺寸精度，缩短加工周期。振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，当附加动应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内部的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。多级振动时效技术是在传统振动时效技术的基础上，自动捕捉工件3～5个亚共振频率，更彻底消除和均化工件内部残余应力，特别是对重量较轻的工件，多级振动时效技术尤其适合。4.4人工时效与自然时效消除应力有自然时效、热时效、振动时效、静态过载时效、爆炸时效、超声冲击振动时效、循环加载时效等，虽然都有优缺点，但都在一定程度上达到消除和均化的目的。工件变形问题可以通过切削去大部分加工余量后，再进行人工时效处理或较长时间的自然时效，均可有效的解决。因此，只要注意工艺安排及时效处理即可解决。批生产时可利用工件加工的轮回时间间隙，进行自然时效。自然时效最短时间一般不得少于72小时。4.5冷热循环时效处理冷热循环时效处理在小中型铝材料薄壁零件加工应用比较广泛，特别是摄式－50°C~－90°C的深冷冰柜应用，使得其工艺比在专用容器（保温、隔热）里加入一定量的液氮进行深冷处理，更具有实用性和可操作性。如下图是某铝合金的薄壁件采用的冷热循环时效处理参数。结果表明高低温循环处理对消除铝合金件的残余应力、改善材料的切削加工性能、减少切削加工变形有明显的效果。石膏填料低熔点合金工艺凸台胎具工装增强工件刚性5、增强工件加工过程刚性增强零件刚性和紧固零件方法有多种，具体有:1、浇灌石腊;2、浇灌石膏;3、应用低熔合金。此外还应用明矾、低熔塑料。在其它零件加工中,还有用硫磺、松香、牙托粉等材料的情况。俄罗斯近几年使用一种尿素树脂聚合物,作为增强零件刚性的材料。该聚合物是由96%的尿素树脂和4%的硫酸钾组成，熔融温度为134~140°C。固化迅速,刚性好,粘结力强,溶解速度快,价格便宜。可局部或整体地增强非刚性零件的刚性。加工完毕后,把零件加热或放入水中,聚合物可自行与零件脱开。5.1工艺凸台应用在大型复杂结构件的数控加工中，应广泛采用工艺凸台装夹策略，并根据产品工艺特点，设计不同类型的装夹工艺凸台（工艺搭子）和辅助支撑。并利用辅助支撑强化切削点的刚性以减少因弹性变形而引起的精度误差，使工件加工具有良好的开敞性，无须考虑刀具和余料的碰撞，排屑更加方便，也有利于应力释放。5.2石膏填料在薄壁件加工中应用石膏作为填料增强薄壁结构件工艺刚性，是一种非常经济实用的方法，其要点是要在加工时，设计工艺腔体或人为围成腔体，一次将一个面加工成型，浇上石膏，经快速固化后，修平基准即可使用，目前石膏填料工艺方法已在航空大型薄壁结构件中大量使用。填石膏的工件表面必须涂刷防锈油以防锈蚀；在填石膏的工件表面尽可能铺一层油封纸（或塑料薄膜）；另外，由于石膏凝固时产生热量，对于深腔体工件必须分几次填入石膏。5.3低熔点合金应用采用低熔点合金（LowMeltingAlloy），类似铸造原理，将低熔点填料填充在工件腔体或人为设计的工艺腔体之中，使零件成为实心刚性体；由于零件刚性提高，同时可以提供了装夹面和定位基准面，装夹及找正方便，使得零件的加工工艺性大大改善，加工精度提高。加工完毕，加热使低熔点合金或低熔点填料熔化、倒出、回收即可，填料可重复使用。由于加热温度低，不会影响零件的材料状态，也不会引起零件的变形，不损伤零件，最终得到高精度的复杂薄壁零件。低熔点合金配制低熔点合金的熔化温度可配置成47°C～262°C，可通过几种常用合金元素不同配比获得。铋(Bi)、铅(Pb)、锡(Sn)、铟(In)、锑(Sb)等几种金属元素是比较理想的低熔点合金组分。锡熔点231.9°C，铅熔点为327.4°C，锑熔点为630.5°C；铟熔点为156.6°C，具有热缩冷胀性质，但价高；铋熔点为271.3°C，密度为9.75，无毒无害，并具有热缩冷胀特性，铋同铅、锡、锑、铟等金属组成的二元、三元、四元、五元合金，改变这些金属在合金中所占的百分比，就可获得47°C～262°C熔点和不同物理性质的合金。因共晶合金中的晶格发生畸变，就不像原始的那么稳定了，要破坏它们之间的化学键，需要的能量就很少，即熔点会降低。铋基合金低熔点合金在实用性、经济性较好，同时利用冷凝时不收缩的特性，可作为填料加工高精度薄壁工件。以铋(Bi)金属为主要成分，逐渐加入铅(Pb)、锡(Sn)、锑(Sb)等几种金属元素，并不断改变含量，得到所需要的低熔点合金。例：铋(Bi)41％、铅((Pb))30％、锡(Sn)20％、锑(Sb)9％进行配比，得到了熔点为70°C的合金，实物如图1所示。该铋基合金低熔点共晶合金，密度为9.4g/cm3。该合金很容易铸型，而且一旦凝固即可使用。用热水、热油浸泡或低温烘烤，可很容易将其从型模、铸模、固定夹具或零件中清除并回收，可多次使用。低熔点合金实物及加热方法如图所示。实物及加热方法图低熔点合金在薄壁腔体加工中应用典型薄壁盒体零件图某典型薄壁腔体零件：腹板和侧壁壁厚均为0.4mm～0.5mm材料：铝合金铝盒子加工采用平口钳夹紧，铣完上腔体和四周外侧面后，翻面铣下腔体和四周外侧面，该工艺要将低熔点合金分别作为腔体的填料、及保护精加工后的薄壁面夹持面填料两种用途。工艺流程如下：下料→飞铣六面→铣上腔体→浇铸低熔点合金→铣上腔体四周0.5厚外侧→卸下工件、用硬纸围四侧面→浇铸低熔点合金形成夹持面→铣下腔体、保证底面0.5厚→浇铸低熔点合金→铣下腔体四周0.4厚外侧→熔化低熔点合金→成品铝盒子零件加工时采用低熔点合金分别作为腔体的填料（不必卸下工件，直接浇注、再接着加工），以及用低熔点合金作为填料保护精加工后的薄壁夹持面示意图和实物。低熔点合金填料图低熔点合金特别适于在加工时夹持不规则和易损形状工件的部份。低熔点合金的机械性能足以满足定位和夹持操作时的刚性要求和控制，可进行强力压紧和夹紧，很容易进行切削加工，并作为转换工艺基准用。其使用的低温可保证在凝固和熔解时的热畸变最小，基本上是冷热变形很小，所以作为空心形状的临时填充物，对保持工件的尺寸精度比较理想。熔化低熔点合金图实际加工结果：上、下腔体侧壁壁厚差为0.025mm上、下腔体之间的0.5mm腹板厚度非常均匀，壁厚差为0.030mm，加工质量比较理想熔化低熔点合金后的工件实物图6.数控编程及切削参数优化技术在数控加工中,由于切削参数的选择不当导致切削力过大,刀具磨损严重,零件表面残余应力增加,加工质量下降等都会增加加工成本,降低数控加工的效率,因此数控加工切削参数的合理和优化选择是非常重要的,目前关于切削参数优化已经提出了多种算法,其中基于生物进化理论的基因算法,可用于多参数,多约束条件和多目标的优化,可进行全局的探索优化,用基因算法优化切削参数的有效性已在多个报告的实例中得到验证。计算采用不同的切削速度、切削量、进给量下的残余应力及变形情况,从中得到各切削参数对变形的影响,以选择优化切削参数,在达到加工精度的前提下尽量提高加工效率。采用控制变形的加工工艺，从刀具、切削参数、走刀路径的选择及程序的编制，都不同于传统的加工。确保薄壁类零件的加工质量，同时必须简化生产工序使绝大多数工作都集中在数控工序上完成。数控加工常见工艺问题的处理：⑴顺逆铣，⑵凹、凸角加工，⑶陡壁加工，⑷分层加工，⑸进退刀控制，⑹对称加工。降低切削力、减少表面应力集中、利用刀具的合理的材料选择、刀具角度的优化、切削用量的优化、切削液的选择及使用等方法降低切削力。对于数控机床，可利用主轴功率的使用效率来初步确定切削力大小。6.1设置应力释放槽应力释放缺口技术是经过大量试验验证、控制变形的有效方法。应力释放缺口的设置一般在零件加工的最开始进行，不同结构的零件，设置方法不同。西飞公司加工某壁板零件设置应力释放槽示图6.2层优先加工策略层优先加工策略能够较好的控制加工变形，其基本方法是：先按照3—4—2—5—1—6的顺序加工所有槽腔的第一层，再按照同样的顺序加工第二层，一直到最终要求，这样变形控制效果比较理想。而传统的槽腔加工一般采取顺序加工的方式，效果差。6.3拐角加工技术在拐角处,建议走带圆弧的刀具路线,并且其半径应大于刀具的有效半径。可以有效地避免在工件上撞出不必要的内凹。同时，必须较好运用CAM软件的拐角降速功能。6.4陡峭壁加工技术侧壁受力产生变形和回弹，发生过切和啃刀现象侧壁刚性增强，变形小，避免了过切现象6.5错位层加工技术对于薄壁件的侧壁加工，在层优先原则基础上，目前流行一种错位层切数控加工策略，使得直壁刚性增强，变形大大减小，避免了过切现象。6.6深槽加工策略深槽加工是复杂结构件常见的加工难题之一。为了保证加工效率及质量，首先必须采用变换刀长加工的策略，按深度划分若干层，刀长递增；其次刀具类型尽量选用具有良好刚性的锥柄刀具；另外，切削策略尽量采用向外环切形式，侧面采用阶梯式余量，每层切削深度随着槽深增加而递减。6.7数控插铣加工技术插铣加工是在数控切削过程中，刀具只有沿主轴方向进给运动，以底刃参与切削的加工方式。在进行深槽腔加工、窄型腔加工、转角加工时，插铣加工提供了高稳定性的切削条件，振动、让刀等现象大大降低，避免了窝刀，零件表面质量明显提高，加工效率大大提高。采取数控补偿措施。根据实际加工得到的零件的加工变形情况和经验,设计数控补偿程序,让刀具在原有的轨迹中考虑零件变形程度附加一个偏移量,对加工变形进行数控补偿,以达到加工精度要求。6.8数控补偿策略例子：挂架。7装夹系统优化技术装夹方案改进主要内容是:压板的数目、位置和