CN108161573B - 一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进机械制造技术领域，具体涉及一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法。本发明在计算切削力时采用的切削厚度计算方法考虑了刀齿跳动的影响，将侧面刃和端面刃的切削厚度计算统一在一个公式中；通过网格划分的方法将工件表面刚性不同的区域划分成若干个区域进行变形预测，得到的加工变形补偿值能更为准确地反映实际工况，最终通过在加工程序代码中对变形量进行补偿，能够有效地控制加工尺寸和形位精度。

Description

一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法

技术领域

本发明属于先进机械制造技术领域，具体涉及一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法。

背景技术

回转异型薄壁结构件是航空航天产品中的常见结构形式，典型应用如外壳和舱段等，如图1所示。这类零件往往选用一些难加工材料，加工过程切削力较大，而较薄的壁厚又使得结构件刚性较差，因而会产生明显的加工变形。若不采取合理的措施进行控制，则可能造成尺寸超差，严重时还会造成产品报废。

另外，由于设计性能需求，在回转型结构件的主要结构上一般带有凸台、减轻槽或加强筋等特征，凸台或加强筋等特征之间存在着不少加工余量，由于不适宜采用车削加工，所以目前车间里一般是安排在车铣复合机床或者铣车复合机床上采用正交车铣方式来进行加工。但由于相关理论研究及控制手段的缺乏，此类零件的外轮廓加工精度一直不高。由于未能提前预知正交车铣加工过程的切削力和变形量，车间现场在进行尺寸精度控制时主要是从夹具、工装、刀具和工艺路线等方面进行考虑，而没有采用提前补偿的方法，最终尺寸大多仍然是按照理论尺寸进行加工，导致最终加工效果不理想。

目前，在已公开的研究文献中，对变形预测的研究主要是在传统的车削和铣削过程，而从切削力建模出发，对薄壁结构件偏心正交车铣加工变形进行补偿的文献尚未见到，因而针对这一问题进行探索具有重要的实用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法，以解决现有薄壁结构件正交车铣加工过程变形预测研究不足，加工过程补偿值无法确定，零件外轮廓加工精度一直不高的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法，该补偿方法包括如下步骤：

S1、针对刀具的每个刀齿切削过程，利用公式(1)，计算每个切削刃点的瞬时切削厚度：

式中，c_t为瞬时切削厚度；Q为刀具切削刃上任意一点，y_Q、z_Q分别为切削刃点Q在刀具坐标系O_T-XYZ中沿着Y轴和Z轴的坐标值，其中，刀具坐标系O_T-XYZ定义为以刀具底面中心O_T为原点，以刀具轴线方向为Z轴，建立的笛卡尔直角坐标系；R_W为工件半径；a_p为切削深度；为切削刃点Q在时刻t的接触角；e为偏心值；γ为切削刃点Q的位置角；ro_j,r、ro_j,a分别为第j个刀齿在刀具径向和轴向的跳动量；α_T为每个刀齿周期工件转过的角度；

基于切削刃离散法，采用考虑刃口力的机械力学模型求出每个刀齿在指定周期内沿刀具轴向的平均切削力；其中，当加工过程存在多个刀齿同时切削材料的情况时，指定周期为刀齿周期；当任意时间均只有一个刀齿参与切削，指定周期为刀齿接触周期；

S2、分别沿着工件轴线及圆周方向将薄壁结构件的待加工区域进行初始网格划分，分成g×h个初始网格；

基于步骤S1得到的平均切削力，采用有限元方法计算第1个刀齿切削每个初始网格<s,l>时的变形量δ_s,l,1，其中针对任一初始网格<s,l>，s表示初始网格沿着工件轴线方向的编号，l表示初始网格沿着工件圆周方向的编号；

利用公式(2)，计算第j个刀齿切削初始网格<s,l>时的变形量δ_s,l,j：

式中，为第j个刀齿在指定周期内沿刀具轴向的平均切削力，j取值范围为从1到N；

计算所有初始网格在每个刀齿切削时的变形量；

S3、利用公式(3)，计算每个初始网格的平均变形补偿值δ_s,l：

S4、分别沿着工件轴线及圆周方向将薄壁结构件待加工区域进行更精细的网格划分，将每个初始网格进一步划分成u×u个精细网格；利用公式(4)，计算任一精细网格<v,q>所在的初始网格的编号<k,w>：

基于步骤S3得到的每个初始网格的平均变形补偿值δ_s,l，采用插值方法，利用公式(5)，计算精细网格<v,q>所对应的变形补偿值δ’_k,w：

其中，

对于下标表达式k-1、k+1，如果其值小于等于1，则认为其等于1，如果其值大于等于g，则认为其等于g；对于下标表达式w-1、w+1，如果其值小于等于1，则认为其等于1，如果其值大于等于h，则认为其等于h；

S5、在每个精细网格的数控加工NC代码中对应切深的Z方向坐标值上，减去变形补偿值δ’_k,w，得到新的坐标值，实现变形补偿。

进一步地，刀具为圆刀片铣刀或矩形刀片铣刀。

进一步地，刀具为矩形刀片铣刀时，在步骤S1中计算每个切削刃点的瞬时切削厚度时，侧刃和底刃对应的切削刃点的位置角分别为90°和0°。

(三)有益效果

本发明提出的薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法，在计算切削力时采用的切削厚度计算方法考虑了刀齿跳动的影响，将侧面刃和端面刃的切削厚度计算统一在一个公式中；通过网格划分的方法将工件表面刚性不同的区域划分成若干个区域进行变形预测，得到的加工变形补偿值能更为准确地反映实际工况，最终通过在加工程序代码中对变形量进行补偿，能够有效地控制加工尺寸和形位精度。

附图说明

图1为航天航空产品中典型的舱壳类零件结构示意图；

图2为本发明实施例1中圆刀片铣刀刀齿跳动示意图；

图3为本发明实施例1的工件初始网格示意图；

图4为本发明实施例1的工件精细网格示意图；

图5为本发明实施例2中矩形刀片铣刀刀齿跳动示意图。

图中，1-薄壁结构件；2-工件待加工区域；3-铣刀；4-初始网格；5-精细网格。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提出一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法，采用本方法对图1所示的零件进行正交车铣加工。该工件材料为钛合金，单边夹持，加工部位工件直径为200mm、壁厚为4mm、转速为5rpm；刀具为直径24mm的圆刀片镶片刀，4齿，刀片半径为5mm，加工时转速为1800rpm，沿工件轴向进给速度为0mm/min；加工方式为顺铣，切深为0.7mm，偏心为7mm，切宽为16mm。如图2所示，以端面刃最低的刀齿为参考刀齿(编号为1)，假设1-4号刀齿轴向跳动量分别为0mm、-0.010mm、-0.006mm和-0.003mm，对应的径向跳动量分别为0mm、0.005mm、-0.004mm和0.008mm。

步骤S1、以0.1mm间隔将每个刀齿切削刃离散化，利用公式(6)，考虑刀齿跳动的影响，计算每个切削刃点的瞬时切削厚度，

式中，c_t为瞬时切削厚度；Q为刀具切削刃上任意一点，y_Q、z_Q分别为切削刃点Q在刀具坐标系O_T-XYZ中沿着Y轴和Z轴的坐标值，其中，刀具坐标系O_T-XYZ定义为以刀具底面中心O_T为原点，以刀具轴线方向为Z轴，建立的笛卡尔直角坐标系；R_W为工件半径；a_p为切削深度；为切削刃点Q在时刻t的接触角；e为偏心值；γ为切削刃点Q的位置角；ro_j,r、ro_j,a分别为第j个刀齿在刀具径向和轴向的跳动量；α_T为每个刀齿周期工件转过的角度；

采用考虑刃口力的机械力学模型建模并计算得到刀齿1-4在接触周期内沿刀具轴线方向的切削力平均值(j＝1、2、3、4)分别为626.55N、601.45N、619.67N和642.52N。

步骤S2、分别沿着工件轴线及圆周方向将薄壁结构件的待加工区域进行初始网格划分，分成4×4共16个初始网格，如图3所示。

以编号<1,4>的初始网格为例，基于步骤S1计算得到的平均切削力，采用有限元方法计算第1个刀齿切削初始网格<1,4>时所产生的变形量δ_1,4,1为0.031mm。再根据公式(7)，计算第j个刀齿切削初始网格<1,4>时的变形量δ_s,l,j：

分别求得δ_1,4,2、δ_1,4,3、和δ_1,4,4为0.030mm、0.031mm、0.032mm。

重复本步骤，计算所有初始网格在每个刀齿切削时的变形量。

步骤S3、计算每个初始网格的平均变形补偿值δ_s,l；以初始网格<1,4>为例，利用公式(8)，计算其平均变形补偿值δ_1,4为：

根据本实施例的工况，当j分别等于1、2、3、4时，ro_j,a分别为0mm、-0.010mm、-0.006mm和-0.003mm，带入上式可以求得编号为<1,4>的初始网格对应的平均变形补偿值为0.036mm。

重复本步骤求出所有初始网格区域的平均变形补偿值。

步骤S4、分别沿着工件轴线及圆周方向将薄壁结构件待加工区域进行更精细的网格划分，将每个初始网格进一步划分成2×2共4个精细网格，即待加工区域总的精细网格数共计64个；

计算任一精细网格<v,q>所在的初始网格的编号<k,w>：以精细网格<3,5>为例，利用公式(9)，计算其所在的初始网格的编号为<2,3>：

基于步骤S3得到的每个初始网格的平均变形补偿值δ_s,l，采用插值方法，计算精细网格<v,q>所对应的变形补偿值δ’_k,w：以精细网格<3,5>为例，利用公式(10)，计算精细网格<3,5>所对应的变形补偿值δ’_3,5：

其中，

将δ_1,4、δ_3,4、δ_1,2、δ_3,2的值分别带入上式，求得δ’_3,5为0.042mm。

S5、在每个精细网格的数控加工NC代码中对应切深的Z方向坐标值上，减去变形补偿值δ’_k,w，得到新的坐标值，实现变形补偿。

实施例2

上述本实施例1采用的是圆刀片铣刀，当采用方肩铣刀时，如图5所示，在步骤S1中计算每个切削刃点的瞬时切削厚度时，侧刃和底刃对应的位置角应分别看作90°和0°，其他步骤相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种薄壁结构件偏心正交车铣加工变形补偿方法，其特征在于，所述补偿方法包括如下步骤：

S1、针对刀具的每个刀齿切削过程，利用公式(1)，计算每个切削刃点的瞬时切削厚度：

式中，c_t为瞬时切削厚度；Q为刀具切削刃上任意一点，y_Q、z_Q分别为切削刃点Q在刀具坐标系O_T-XYZ中沿着Y轴和Z轴的坐标值，其中，刀具坐标系O_T-XYZ定义为以刀具底面中心O_T为原点，以刀具轴线方向为Z轴，建立的笛卡尔直角坐标系；R_W为工件半径；a_p为切削深度；为切削刃点Q在时刻t的接触角；e为偏心值；γ为切削刃点Q的位置角；ro_j,r、ro_j,a分别为第j个刀齿在刀具径向和轴向的跳动量；α_T为每个刀齿周期工件转过的角度；

基于切削刃离散法，采用考虑刃口力的机械力学模型求出每个刀齿在指定周期内沿刀具轴向的平均切削力；其中，当加工过程存在多个刀齿同时切削材料的情况时，所述指定周期为刀齿周期；当任意时间均只有一个刀齿参与切削，所述指定周期为刀齿接触周期；

S2、分别沿着工件轴线及圆周方向将薄壁结构件的待加工区域进行初始网格划分，分成g×h个初始网格；

基于所述步骤S1得到的所述平均切削力，采用有限元方法计算第1个刀齿切削每个所述初始网格<s,l>时的变形量δ_s,l,1，其中针对任一所述初始网格<s,l>，s表示所述初始网格沿着工件轴线方向的编号，l表示所述初始网格沿着工件圆周方向的编号；

利用公式(2)，计算第j个刀齿切削所述初始网格<s,l>时的变形量δ_s,l,j：

式中，为第j个刀齿在所述指定周期内沿刀具轴向的平均切削力，j取值范围为从1到N；

计算所有所述初始网格在每个刀齿切削时的变形量；

S3、利用公式(3)，计算每个所述初始网格的平均变形补偿值δ_s,l：

S4、分别沿着工件轴线及圆周方向将薄壁结构件待加工区域进行更精细的网格划分，将每个所述初始网格进一步划分成u×u个精细网格；利用公式(4)，计算任一所述精细网格<v,q>所在的所述初始网格的编号<k,w>：

基于所述步骤S3得到的每个所述初始网格的所述平均变形补偿值δ_s,l，采用插值方法，利用公式(5)，计算所述精细网格<v,q>所对应的变形补偿值δ’_k,w：

其中，

对于下标表达式k-1、k+1，如果其值小于等于1，则认为其等于1，如果其值大于等于g，则认为其等于g；对于下标表达式w-1、w+1，如果其值小于等于1，则认为其等于1，如果其值大于等于h，则认为其等于h；

S5、在每个所述精细网格的数控加工NC代码中对应切深的Z方向坐标值上，减去所述变形补偿值δ’_k,w，得到新的坐标值，实现变形补偿。

2.如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，所述刀具为圆刀片铣刀或矩形刀片铣刀。

3.如权利要求2所述的补偿方法，其特征在于，所述刀具为矩形刀片铣刀时，在所述步骤S1中计算每个切削刃点的瞬时切削厚度时，侧刃和底刃对应的切削刃点的位置角分别为90°和0°。