CN106826393B - 一种整体壁板铣削变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体壁板铣削变形控制方法，包括以下步骤：在待加工板坯上截取试样；对试样进行平面应力测试；测量铣削导致的试样的材料表层残余应力；确定材料去除量；制定零件加工工艺和材料去除策略；分析零件在加工过程中随材料去除时的应变能变化；获得最优材料去除策略；判断当前各级工艺流程零件变形是否达标；采用最优加工策略进行零件的铣削加工。本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法，建立了能量与零件变形量的对应函数关系，使得变形分析及工艺优化流程目标明确，提升了变形分析的效率和精度；同时，该方法不需要额外的加工变形校正装备，实施流程简单高效，成本较低，适用于航空大型整体构件的小批量定制服务。
Description
技术领域
本发明涉及航空制造方法领域，特别是涉及一种整体壁板铣削变形控制方法。
背景技术
现代飞行器的性能不断提高，结构设计发生了变化，开始大量采用整体结构设计，如整体框、梁、壁板等构件，零件的大型化和结构整体化趋势日趋明显。例如，以铝合金材料为主导的大型整体结构件在民用航空器领域获得广泛的应用。铝合金密度2.7g/cm3，具有轻量化、薄壁化和整体化的特点，而且铝合金价格低廉易于加工，因此航空制造业普遍采用数控铣削方式加工整体复杂结构件。
大型机翼整体壁板由于具有结构效率高、易于实现等强度设计、密封性好等突出优点，成为现代民用飞机的重要结构件。现代数字化机翼整体壁板的制造流程分为六个步骤：(1)壁板数字化设计；(2)壁板成形评估；(3)展开与板坯建模；(4)板坯数控铣削加工；(5)辅助工艺设计；(6)数控喷丸成形。其中第1-3步为飞机设计单位完成，第4-6步为飞机制造单位完成。为了提高燃油效率，机翼整体壁板设计大量采用薄壁结构，由于结构弱刚性、板坯材料中的残余应力、铣削加工产生的加工残余应力、铣削热等因素的共同作用，导致机翼整体壁板加工过程中和结束后变形较大，严重影响数控铣削工艺的执行效率以及后续喷丸成形工艺的准备。
因此，如何解决整体壁板铣削加工变形问题，实现高性能制造，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种整体壁板铣削变形控制方法，该整体壁板铣削变形控制方法利用弹性理论分析板坯原始残余应变能和铣削加工应变能，可有效消除整体壁板铣削变形问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种整体壁板铣削变形控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：在待加工板坯上截取试样；
步骤S2：对所述试样进行平面应力测试，以获取所述板坯的板坯残余应力；
步骤S3：对所述试样进行壁板铣削标准工艺参数加工，并测量铣削导致的所述试样的材料表层残余应力；
步骤S4：建立所述板坯与零件的实体模型，确定材料去除量；
步骤S5：根据所述板坯与零件的几何信息，以及所述材料去除量制定零件加工工艺和材料去除策略；
步骤S6：根据所述步骤S2与所述步骤S3中测量获得的所述板坯残余应力和所述材料表层残余应力为初始条件，采用弹性理论中的应变能公式分析所述零件在加工过程中随材料去除时的应变能变化，并设定目标函数Δ(U，R，G)代表所述零件的变形量，其中U为应变能，R为材料去除策略，G为零件几何外形；
步骤S7：以目标函数Δ(U，R，G)为评价标准，优化所述零件在加工过程的应变能释放，进行所述零件加工的虚拟试验，试验参数依照当前工艺参数制定，获得最优材料去除策略；
步骤S8：判断当前各级工艺流程零件变形是否达标，如符合公差要求，则进入零件加工验证步骤；如不符合公差要求，则返回所述步骤S7重新求解所述最优材料去除策略；
步骤S9：采用所述最优加工策略进行所述零件的铣削加工。
优选的，所述步骤S1具体为：
选取所述待加工板坯的中心区域，截取能够代表母材残余应力的所述试样。
优选的，所述步骤S2具体为：
采用裂纹柔度法对所述试样进行平面应力测试。
优选的，所述步骤S2具体为：
采用裂纹柔度法测量截取的所述试样的平面应力状态，获得试样长度方向和宽度方向的应力σx和σy。
优选的，所述步骤S3中，采用XRD法测量铣削导致的所述试样的材料表层残余应力σc。
优选的，所述步骤S4具体为：
采用三维建模UG软件建立所述板坯与所述零件的实体模型，并采用所述UG软件的NC模块确定所述材料去除量。
优选的，所述步骤S7中，所述最优材料去除策略包括对所述零件的切削层深度以及材料去除顺序。
优选的，所述步骤S6中，所述应变能公式具体为：
其中：应变能U计算可采用广义胡克定律对未知量εij变换为已知量σij；材料去除策略R与零件几何外形G已知。
本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法，包括以下步骤：在待加工板坯上截取试样；对所述试样进行平面应力测试；对所述试样进行壁板铣削标准工艺参数加工，并测量铣削导致的所述试样的材料表层残余应力；建立所述板坯与零件的实体模型，确定材料去除量；根据所述板坯与零件的几何信息，以及所述材料去除量制定零件加工工艺和材料去除策略；根据获得的所述板坯残余应力和所述材料表层残余应力为初始条件，分析所述零件在加工过程中随材料去除时的应变能变化，并设定目标函数Δ(U，R，G)代表所述零件的变形量，其中U为应变能，R为材料去除策略，G为零件几何外形；以目标函数Δ(U，R，G)为评价标准，获得最优材料去除策略；判断当前各级工艺流程零件变形是否达标，如符合公差要求，则进入零件加工验证步骤；采用所述最优加工策略进行所述零件的铣削加工。该整体壁板铣削变形控制方法，采用应变能定量分析零件加工过程中材料去除导致的能量转化，建立了能量与零件变形量的对应函数关系，使得变形分析及工艺优化流程目标明确，提升了变形分析的效率和精度；同时，该方法不需要额外的加工变形校正装备，实施流程简单高效，成本较低，适用于航空大型整体构件的小批量定制服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法一种具体实施方式的流程图；
图2为本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法中取样位置示意图；
图3是本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法中试样加工残余应力测试示意图；
图4是本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法中加工策略优化示意图；
其中：1-板坯、2-试样、3-已加工表面变质层、4-XRD测试仪探头、5-零件、6-板坯残余应力分布、7-材料去除策略。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种整体壁板铣削变形控制方法，该整体壁板铣削变形控制方法通过对板坯原始残余应变能和铣削加工应变能的分析，确定壁板最佳材料去除策略，可有效消除整体壁板铣削变形问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图4，图1为本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法一种具体实施方式的流程图；图2为本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法中取样位置示意图；图3是本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法中试样加工残余应力测试示意图；图4是本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法中加工策略优化示意图。
在该实施方式中，大型机翼整体壁板通常选用铝合金预拉伸板铣削加工而成，板材内部应力状态为典型的平面应力分布，机翼整体壁板材料去除量高达90％以上，有充足的余量进行取样分析。
该整体壁板铣削变形控制方法包括以下步骤：
步骤S1：在待加工板坯1上截取试样2；进一步，选取待加工板坯1的中心区域，截取能够代表母材残余应力的试样2；
具体的，为避免边缘效应造成试样应力与母材应力不符，选取待加工板坯1不影响后续零件5加工的中心区域截取试样2，根据圣维南原理试样2尺寸应该保证长宽至少大于厚度的3倍以上，使得截取试样2能够代表母材残余应力；
步骤S2：对试样2进行平面应力测试，以获取板坯1的板坯残余应力；具体的，采用裂纹柔度法对试样2进行平面应力测试；更具体的，采用裂纹柔度法测量截取的试样2的平面应力状态，获得试样2长度方向和宽度方向的应力σx和σy；
步骤S3：对试样2进行壁板铣削标准工艺参数加工，并测量铣削导致的试样2的材料表层残余应力；具体的，采用XRD法测量铣削导致的试样2的材料表层残余应力σc；更具体的，采用壁板铣削标准工艺参数加工试样2，保证铣削刀具、切削参数及冷却润滑与零件5加工状态一致，获得已加工表层变质层。如图3所示，借助XRD法测量铣削导致的材料表层残余应力σc，其中，试样2加工后形成已加工表面变质层3，XRD测试仪探头4的测试位置如图所示；
步骤S4：建立板坯1与零件5的实体模型，确定材料去除量；具体的，采用三维建模UG软件建立板坯1与零件5的实体模型，并采用UG软件的NC模块确定材料去除量；
步骤S5：根据板坯1与零件5的几何信息，以及材料去除量制定零件5加工工艺和材料去除策略；具体的，由毛坯和零件5的几何信息、材料去除量和机床性能等参数，使用UG软件NC模块制定零件5加工工艺；
步骤S6：根据步骤S2与步骤S3中测量获得的板坯残余应力和材料表层残余应力为初始条件，采用弹性理论中的应变能公式分析零件5在加工过程中随材料去除时的应变能变化，并设定目标函数Δ(U，R，G)代表零件5的变形量，其中U为应变能，R为材料去除策略，G为零件5几何外形；
具体的，应变能公式具体为：
其中：应变能U计算可采用广义胡克定律对未知量εij变换为已知量σij；材料去除策略R与零件5几何外形G已知。
步骤S7：以目标函数Δ(U，R，G)为评价标准，优化零件5在加工过程的应变能释放，进行零件5加工的虚拟试验，试验参数依照当前工艺参数制定，获得最优材料去除策略；
具体的，最优材料去除策略包括对零件5的切削层深度以及材料去除顺序。
进一步，以目标函数Δ(U，R，G)最小值为评价标准，进行零件5加工的虚拟试验，试验参数依照当前工艺参数制定；虚拟试验采用非线性有限元软件Marc，初始条件为步骤S2和步骤S3中测试所得板坯残余应力和铣削残余应力，边界条件为UG软件制定的加工策略，包含铣削深度，材料去除顺序和零件5与板坯1相对位置，进行虚拟试验可以实现高效无成本数据采集，为工艺优化提供基础数据。
步骤S8：判断当前各级工艺流程零件5变形是否达标，如符合公差要求，则进入零件5加工验证步骤；如不符合公差要求，则返回步骤S7重新求解最优材料去除策略；
具体的，由虚拟试验结果的变形量为标准，判断当前各级工艺流程零件5变形是否达标，如符合公差要求，则进入零件5加工验证步骤；如不符合公差要求，则返回上一步重新求解最优加工策略，针对铝合金机翼壁板材料去除量大的特点，如图4所示，给出了板坯残余应力分布6的曲线，主要调整材料去除顺序，可调整对称去除比例，也可调整零件5与板坯1的相对位置使得上下表层材料去除量不等，通过trial and error(试错法)过程，直至选取过程及最终变形最小的材料去除策略7。
步骤S9：采用最优加工策略进行零件5的铣削加工，消除加工过程中及结束后的变形量，使零件5符合设计要求。
该整体壁板铣削变形控制方法，采用应变能定量分析零件5加工过程中材料去除导致的能量转化，建立了能量与零件5变形量的对应函数关系，使得变形分析及工艺优化流程目标明确，提升了变形分析的效率和精度；同时，该方法不需要额外的加工变形校正装备，实施流程简单高效，成本较低，适用于航空大型整体构件的小批量定制服务。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的整体壁板铣削变形控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在待加工板坯上截取试样；
步骤S2：对所述试样进行平面应力测试，以获取所述板坯的板坯残余应力；
步骤S3：对所述试样进行壁板铣削标准工艺参数加工，并测量铣削导致的所述试样的材料表层残余应力；
步骤S4：建立所述板坯与零件的实体模型，确定材料去除量；
步骤S5：根据所述板坯与零件的几何信息，以及所述材料去除量制定零件加工工艺和材料去除策略；
步骤S6：根据所述步骤S2中获取的所述板坯残余应力与所述步骤S3中测量获得的所述材料表层残余应力为初始条件，采用弹性理论中的应变能公式分析所述零件在加工过程中随材料去除时的应变能变化，并设定目标函数Δ(U，R，G)代表所述零件的变形量，其中U为应变能，R为材料去除策略，G为零件几何外形；
步骤S7：以目标函数Δ(U，R，G)为评价标准，优化所述零件在加工过程的应变能释放，进行所述零件加工的虚拟试验，试验参数依照当前工艺参数制定，获得最优材料去除策略；
步骤S8：判断当前各级工艺流程零件变形是否达标，如符合公差要求，则进入零件加工验证步骤；如不符合公差要求，则返回所述步骤S7重新求解所述最优材料去除策略；
步骤S9：采用所述最优材料去除策略进行所述零件的铣削加工。
2.根据权利要求1所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
选取所述待加工板坯的中心区域，截取能够代表母材残余应力的所述试样。
3.根据权利要求1所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
采用裂纹柔度法对所述试样进行平面应力测试。
4.根据权利要求3所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
采用裂纹柔度法测量截取的所述试样的平面应力状态，获得试样长度方向和宽度方向的应力σx和σy。
5.根据权利要求1所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用XRD法测量铣削导致的所述试样的材料表层残余应力σc。
6.根据权利要求1所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
采用三维建模UG软件建立所述板坯与所述零件的实体模型，并采用所述UG软件的NC模块确定所述材料去除量。
7.根据权利要求1所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述最优材料去除策略包括对所述零件的切削层深度以及材料去除顺序。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的整体壁板铣削变形控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述应变能公式具体为：
其中：应变能U计算可采用广义胡克定律对未知量εij变换为已知量σij；材料去除策略R与零件几何外形G已知；U表示总应变能，u0(εij)表示物体变形之后的弹性应变能密度，σij是应力分量；V表示体积。
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