CN107272580B - 一种硬脆材料薄壁零件切削加工误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种硬脆材料薄壁零件加工误差补偿方法，该方法首先建立切削该种薄壁零件材料的切削力模型，然后根据实际径向切深计算切削力，以实际切削力作为载荷值，在有限元分析软件中求解出每一个离散位置的变形量，以该变形量作为误差补偿值，最终生成带有误差补偿的数控加工程序，与现有薄壁零件加工误差补偿方法相比，该方法补偿精度更高，计算效率也更高。

Description

一种硬脆材料薄壁零件切削加工误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种硬脆材料薄壁零件加工误差补偿方法。主要涉及专利分类号G05控制；调节G05B一般的控制或调节系统；这种系统的功能单元；用于这种系统或单元的监视或测试装置G05B19/00程序控制系统G05B19/02电的G05B19/18数字控制G05B19/404以补偿的控制装置为特征的，例如对于间隙、过调、工具偏差、工具磨损、温度、机器构造误差、负荷、惯性。

背景技术

随着科技的发展，薄壁零件、薄壁结构的应用越来越广泛，尤其是在航空航天领域，如航空发动机的叶轮叶片、飞机蒙皮等，大型整体薄壁构件的应用日益广泛，能够在保证强度的前提下，提高轻量化率，提高使役性。

但薄壁零件因其刚度低，故加工工艺性差，在切削力、切削热、切削振颤等因素作用下，易发生加工变形，产生较大的加工误差，影响加工质量。

目前，常用的解决方案是在最后一道工序进行多次空走刀加工，虽然能在一定程度上降低误差，但加工效率较低。

另外也有采用反变形方法进行误差补偿的，反变形法的原理是测量采用未补偿加工方法加工后的薄壁零件的误差，将该误差作为补偿值，重新生成包含补偿值的刀具轨迹进行加工，可以在一定程度上减小误差，但不能完全消除误差，补偿精度有限，另外也有采用迭代算法求解误差补偿值的，虽然精度较高，但计算效率偏低。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种硬脆材料薄壁零件切削加工误差补偿方法，包括如下步骤：

—根据待加工薄壁零件的材料，建立切削该种材料的切削力模型，该切削力模型至少包含径向切深a_e；

—根据预设的所述待加工薄壁零件的最后一道精加工工序所采用的径向切深a₀，求解得出实际切深为a₀时的实际切削力F₀；

—建立所述待加工薄壁零件的有限元模型，根据所述的实际切削力F₀，使用有限元分析，求得所述待加工薄壁零件各位置的误差补偿量，生成包含该误差补偿量的数控加工程序。

作为优选的实施方式，所述的数控加工程序中包含有数控轨迹，将该轨迹进行离散化，根据加工刀具对工件的作用位置，确定有限个具体加工位置(x，z)。

更进一步的，使用有限元分析，求得所述待加工薄壁零件各位置误差补偿量的过程如下；

—指定材料属性并划分网格，根据具体工况指定约束条件，在其中一个位置进行加载，载荷值大小为F₀，求解出该加工位置对应的变形e；

—对于其余加工位置，也可采用类似的方法，载荷值大小为F₀，加载位置不同，求解出对应位置的变形e(x,z)，其中：(x,z)代表具体的加工位置坐标；

—求解出薄壁零件的每一加工位置在切削力F₀作用下产生的变形e(x,z)，即每一个加工位置的误差补偿量；

求解每一个位置应采用的径向切深——名义切深，即：

a_e(x,z)＝a₀+e(x,z)

其中：a_e(x,z)代表名义切深，a₀代表实际切深，e(x,z)代表补偿量；编写数控加工程序，径向切深为名义切深a_e(x,z)，完成薄壁零件的加工。

更进一步的，所述数控加工程序中工件总高度/轴向切深＞10。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，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是本发明实施例加工前薄壁件的示意图。

图2是本发明实施例加工后薄壁件的示意图。

图3是本发明实施例的加工示意图。

图4是本发明实施例的数控加工轨迹示意图。

图5是本发明实施例的RB-SiC薄壁件有限元分析示意图。

图6是本发明的算法流程图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1-5所示：一种薄壁零件加工误差补偿方法，主要包括如下步骤：

针对具体的薄壁零件，根据该薄壁零件所使用的材料，建立切削该种材料的切削力模型，该切削力模型必须包含径向切深a_e这一参数，其余参数也可包含，但并非强制。

F＝f(a_e)

其中：F代表切削力，a_e代表径向切深；

考虑到，最后一道工序为精加工工序，所以在最后一道工序加入误差补偿，可显著提高加工精度，而之前的粗加工工序，由于加工精度较低，进行误差补偿对精度的影响不大。

根据薄壁零件最后一道工序采用的径向切深，如a_e＝a₀，可求解出实际切深为a₀时的切削力F₀，即：

F₀＝f(a₀)

其中：F₀代表实际切削力，a₀代表实际切深；

数控轨迹离散化，根据薄壁零件的具体形状，在数控软件中生成数控轨迹，将数控轨迹进行适当的离散化，根据加工刀具对工件的作用位置，确定有限个具体的加工位置(x,z)，即下一步在有限元分析中使用的加载位置。

在有限元分析软件ANSYS(不局限于ANSYS)中建立该薄壁零件的有限元模型，指定材料属性并划分网格，根据具体工况指定约束条件，在某一个位置进行加载，载荷值大小为F₀，求解出该加载位置对应的变形e，对于其余加工位置，也可采用类似的方法，载荷值大小为F₀，加载位置不同，求解出对应位置的变形e(x,z)，其中：(x,z)代表具体的加工位置坐标。

该过程可通过ISIGHT软件(不局限于ISIGHT)集成ANSYS来自动完成，最终，可以求解出薄壁零件的每一加工位置在切削力F₀作用下产生的变形e(x,z)，即每一个加工位置的误差补偿量。

求解每一个位置应采用的径向切深——名义切深，即：

a_e(x,z)＝a₀+e(x,z)

其中：a_e(x,z)代表名义切深，a₀代表实际切深，e(x,z)代表补偿值。

编写数控加工程序，指定计算出的径向切深即可。

步骤一、本实施例的加工对象材料为反应烧结碳化硅(RB-SiC)，加工方式为超声辅助磨削，因此，先建立包含径向切深a_e的超声辅助磨削RB-SiC材料的磨削力模型：

F_g＝f_g(a_e)

根据该RB-SiC薄壁件加工前后的示意图，加工前厚度为1.54mm，加工后厚度为1.50mm，则径向切深a_e＝(1.54-1.50)/2＝0.02mm，带入到磨削力模型中，得到磨削力：

F₀＝f_g(0.02)

根据RB-SiC薄壁件的示意图，在数控软件中建立模型，生成数控加工轨迹，如附图4所示，将数控加工轨迹进行适当的离散化，离散后生成的数控加工程序满足加工精度即可，在本实施例中离散间距优选为1mm，可确定有限个具体的加工位置：

(x,z)(-20≤x≤20,-40≤z≤-1)

其中：x,y都为整数。

在有限元分析软件ANSYS(本实施例中只作为举例说明，并不局限于ANSYS)中建立该薄壁零件的有限元模型，指定材料属性(RB-SIC)并划分网格，施加三边约束，在某一个位置进行加载，载荷值大小为F₀，求解出该加载位置对应的变形e，如附图5所示。对于其余加工位置，也可采用类似的方法，载荷值大小为F₀，加载位置不同，求解出对应位置的变形e(x,z)，其中：(x,z)代表具体的加工位置坐标。该过程可通过ISIGHT软件(不局限于ISIGHT)集成ANSYS来自动完成，最终，可以求解出该RB-SiC薄壁零件的每一加工位置在切削力F₀作用下产生的变形e(x,z)，即每一个加工位置的误差补偿量。最后在数控软件中生成带有误差补偿的数控加工程序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种硬脆材料薄壁零件切削加工误差补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

—根据待加工薄壁零件的材料，建立切削该种材料的切削力模型，该切削力模型至少包含径向切深a_e；

—根据预设的所述待加工薄壁零件的最后一道精加工工序所采用的径向切深a₀，求解得出实际切深为a₀时的实际切削力F₀；

—建立所述待加工薄壁零件的有限元模型，根据所述的实际切削力F₀，使用有限元分析，求得所述待加工薄壁零件各位置的误差补偿量，生成包含该误差补偿量的数控加工程序；所述的数控加工程序中包含有数控轨迹，将该轨迹进行离散化，根据加工刀具对工件的作用位置，确定有限个具体加工位置(x，z)；

使用有限元分析，求得所述待加工薄壁零件各位置误差补偿量的过程如下；

—指定材料属性并划分网格，根据具体工况指定约束条件，在其中一个位置进行加载，载荷值大小为F₀，求解出该加工位置对应的变形e；

—对于其余加工位置，采用类似的方法，载荷值大小为F₀，加载位置不同，求解出对应位置的变形e(x,z)，其中：(x,z)代表具体的加工位置坐标；

—求解出薄壁零件的每一加工位置在切削力F₀作用下产生的变形e(x,z)，即每一个加工位置的误差补偿量；

求解每一个位置应采用的径向切深——名义切深，即：

a_e(x,z)＝a₀+e(x,z)

其中：a_e(x,z)代表名义切深，a₀代表实际切深，e(x,z)代表补偿量；编写数控加工程序，径向切深为名义切深a_e(x,z)，完成薄壁零件的加工。

2.根据权利要求1所述的薄壁零件加工误差补偿方法，其特征还在于所述数控加工程序中工件总高度/轴向切深＞10。