CN109635365A - 一种控制机匣零件切断变形的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，采用先进的物理仿真技术，通过开展切断工艺仿真试验，分析切断前后零件应力与变形之间的关系，通过定向仿真分析，统计不同角向位置切断后的变形数据，确定零件切断前后的变形规律，在不改变零件工艺路线的前提下，提出了一种基于整环检测数据的切断工艺优化方法，固化切断角向相对位置，降低零件切断变形趋势，并有效提升零件切断后变形的一致性。
Description
技术领域
本发明属于航空航天数控加工技术领域，涉及一种控制机匣零件切断变形的工艺方法。
背景技术
航空发动机典型环形机匣零件，机加过程涉及切断工艺，切断后还需依靠铆钉、夹具等工具固定，以完成后续加工。由于切断后零件整体应力均衡状态被打破，零件应力释放过程引发扭转变形，变形没有规律，导致机匣零件切断后的加工变形控制困难，内外型面的圆度、端面的平面度难以保证，加工特征的位置度与设计要求严重偏离，部分机匣零件在切断后甚至难以在自由状态下完成装夹、固定，需要根据变形状态而调整工艺方案。
传统工艺下，零件切断位置是随机选取的，零件切断变形控制都是通过工装、夹具、辅助支撑等方式进行保证。为了控制零件切断变形，一个型号的机匣零件通常需要设计多套装夹方案，增加辅助工装，欲通过限位来控制零件切断后的应力释放。为此，造成了大量的人力和物力的浪费，却并没有显著的提高变形控制效果，同时因为方案的调整，一直以来并未积累关于切断位置对变形控制影响的相关数据，技术指标仍处于不可控状态。技术验证工作完全依赖型号研制工作的研究方式，调试时间长，调试效果不理想，一直难以加工出高质量零件。到目前为止，尚没有公开的控制机匣零件切断变形的工艺方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，解决对开环形机匣零件切断后零件变形幅度较大、变形没有规律、零件后续精加工过程变形控制困难的问题。
本发明提供一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，包括如下步骤：
步骤1：对零件进行应力测试，获取零件表面相应点的初始应力数据，并对各个点的初始应力数据进行各向投影；
步骤2：根据所有测量点的坐标和应力数据的各向投影获得零件的初始应力场，将零件的初始应力加载到有限元模型中，对零件切割前整环状态下的变形趋势展开仿真分析；
步骤3：记录整环状态下仿真得到的最大应力及最大变形出现的位置；
步骤4：将零件切断前最大变形出现的位置作为初始点，制定多次切断仿真试验计划；
步骤5：根据制定的仿真试验计划，对零件进行多次切断仿真，并记录零件在不同角向切断所引起的最大应力值及最大变形量；
步骤6：将仿真获得的不同角向切断后的最大应力值及最大变形量和切断前的变形数据进行关联性分析；
步骤7：以整环状态下零件最大变形位置作为标记，在多次仿真获得的最大变形量中选取变形量最小的一次所对应的切断角向，进行切断加工。
在本发明的控制机匣零件切断变形的工艺方法中，所述步骤1具体为：
根据零件的结构特征，在零件表面上均匀的选择8-40个坐标点，应用X射线应力检测仪测量每个点位的主应力值，并对每个点位的主应力进行各向应力投影，得到σx,τxy,τxz,τyx,σy,τyz,τzx,τzy,σz9个方向的应力值。
在本发明的控制机匣零件切断变形的工艺方法中，所述步骤2具体为：
步骤2.1：将所有测量点的坐标及9向应力构成的矩阵逐一对应的添加到.pos格式的文件中，获得零件的初始应力场；
步骤2.2：根据零件的加工工艺，设置零件有限元仿真的边界条件，并将零件的初始应力加载到有限元模型中，利用有限元技术对零件切割前整环状态下的变形趋势展开仿真分析。
在本发明的控制机匣零件切断变形的工艺方法中，所述步骤4具体为：
步骤4.1：将零件切断前最大变形出现的位置作为初始点，以此定位基准，每隔10度进行一次切断仿真，共制定18次切断仿真；
步骤4.2：为保证每次切断都在相同的环境下进行，每组切断方案的相对装夹位置必须相同，计算每组切断方案的装夹位置；
步骤4.3：设定第i组的切断方案的两个装夹角向分别为：(10i+60)度和(10i+120)度。
在本发明的控制机匣零件切断变形的工艺方法中，所述步骤5具体为：
步骤5.1：以零件中心点为中心，构造一个矩形片体，矩形片体的长、宽、高按下式构造：
H＝h+2mm；其中，为零件直径，h为零件高度；
步骤5.2：根据仿真试验计划设定的装夹角向进行装夹；
步骤5.3；利用有限元技术模拟切断过程，并记录切断后的最大应力值和最大变形量；
步骤5.4；重复5.2和5.3，获取不同角向切断后的最大应力及变形量。
在本发明的控制机匣零件切断变形的工艺方法中，所述步骤6具体为：
以网状结构模拟整环状态下的零件，将不同角向切断后的最大应力及最大变形量和切断前的变形数据进行关联性分析，以整环的最大变形位置为初始点，统计各个角向下切断后的最大应力值及最大变形量。
本发明的一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，基于整环检测数据固化切断角向相对位置，降低零件切断变形趋势，提升零件切断后变形的一致性。该方法首次将仿真技术应用到切断工艺优化过程中，打破传统试切的调试方法，缩短加工研制周期，节约实验成本；解决对开环形机匣零件，尤其是静子内环类发动机机匣零件切断后的变形控制问题；优化后的切断工艺实施方便，不需装卸及应力测试等工作，可在机床上直接确定最佳切断位置。该方法具有很强的通用性和实用性。
附图说明
图1是本发明的一种控制机匣零件切断变形的工艺方法的流程图；
图2是本发明的切断仿真示意图；
图3是本发明实施例中第一组统计的18次切断的应力和变形数据图；
图4是本发明实施例中第二组统计的18次切断的应力和变形数据图。
具体实施方式
本发明的一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，采用先进的物理仿真技术，通过开展切断工艺仿真试验，分析切断前后零件应力与变形之间的关系，通过定向仿真分析，统计不同角向位置切断后的变形数据，确定零件切断前后的变形规律，在不改变零件工艺路线的前提下，提出了一种基于整环检测数据的切断工艺优化方法，固化切断角向相对位置，降低零件切断变形趋势，并有效提升零件切断后变形的一致性。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，包括如下步骤：
步骤1：对零件进行应力测试，获取零件表面相应点的初始应力数据，并对各个点的初始应力数据进行各向投影，具体为：
根据零件的结构特征，在零件表面上均匀的选择8-40个坐标点，应用X射线应力检测仪测量每个点位的主应力值，并对每个点位的主应力进行各向应力投影，得到σx,τxy,τxz,τyx,σy,τyz,τzx,τzy,σz9个方向的应力值。
步骤2：根据所有测量点的坐标和应力数据的各向投影获得零件的初始应力场，将零件的初始应力加载到有限元模型中，对零件切割前整环状态下的变形趋势展开仿真分析，步骤2具体为：
步骤2.1：将所有测量点的坐标及9向应力构成的矩阵逐一对应的添加到.pos格式的文件中，获得零件的初始应力场；
步骤2.2：根据零件的加工工艺，设置零件有限元仿真的边界条件，并将零件的初始应力加载到有限元模型中，利用有限元技术对零件切割前整环状态下的变形趋势展开仿真分析。
步骤3：记录整环状态下仿真得到的最大应力及最大变形出现的位置；
步骤4：将零件切断前最大变形出现的位置作为初始点，制定多次切断仿真试验计划，步骤4具体为：
步骤4.1：将零件切断前最大变形出现的位置作为初始点，以此定位基准，每隔10度进行一次切断仿真，共制定18次切断仿真；
步骤4.2：为保证每次切断都在相同的环境下进行，每组切断方案的相对装夹位置必须相同，计算每组切断方案的装夹位置；
步骤4.3：设定第i组的切断方案的两个装夹角向分别为：(10i+60)度和(10i+120)度。
步骤5：根据制定的仿真试验计划，对零件进行多次切断仿真，并记录零件在不同角向切断所引起的最大应力值及最大变形量，所述步骤5具体为：
步骤5.1：以零件中心点为中心，构造一个矩形片体，矩形片体的长、宽、高按下式构造：
H＝h+2mm；其中，为零件直径，h为零件高度；
步骤5.2：根据仿真试验计划设定的装夹角向进行装夹；
步骤5.3；利用有限元技术模拟切断过程，并记录切断后的最大应力值和最大变形量；
步骤5.4；重复5.2和5.3，获取不同角向切断后的最大应力及变形量。
步骤6：将仿真获得的不同角向切断后的最大应力值及最大变形量和切断前的变形数据进行关联性分析，具体为：
以网状结构模拟整环状态下的零件，将不同角向切断后的最大应力及最大变形量和切断前的变形数据进行关联性分析，以整环的最大变形位置为初始点，统计各个角向下切断后的最大应力值及最大变形量。
步骤7：以整环状态下零件最大变形位置作为标记，在多次仿真获得的最大变形量中选取变形量最小的一次所对应的切断角向，进行切断加工。
下面以实施例说明本发明的工艺方法的实施过程。
1)根据步骤1至3进行零件切断前仿真分析。选取某型号的静子内环零件，进行应力测试，根据应力测量结果，获得初始应力场，将零件的初始应力加载到有限元模型中，并仿真出切断前的应力状态和变形状态。记录最大应力为22.26MPa，最大变形为0.0186mm。
2)制定仿真试验方案。将最大变形出现的位置定为0度，每隔10度做出一个切断框体，共计18个框体，其分布状态如图2所示。按照仿真试验制定的18组切断方案，每次切断时以切断点旋转60度、120度、240度和300度所在位置作为装夹位置。
3)切断仿真。以整环的应力和应变为初始条件，完成18次切断仿真。表1为18组仿真数据表。
表1
4)数据统计。记录每次切断后的应力、变形仿真结果，以网状结构模拟成整环状态下的零件，每个角度下切断后得到的应力和变形统计如图3所示。其中00度代表的是整环状态下最大变形位置，网状的刻度代表变形及应力具体的数值。为使应力和变形能在同一区间内显示，将变形仿真结果进行放大：
Displacementshow＝Displacement*100
结果表明，应力与变形之间存在一定联系，即应力集中现象越明显，变形越大。以整环状态下零件最大变形位置作为标记，在多次仿真获得的最大变形量中选取变形量最小的一次所对应的切断角向，进行切断，零件应力和应变综合状态最好。
如图3所示，本实施例中该型号的静子内环零件在多次仿真获得的最大变形量中，整环最大变形位置顺时针偏转20度进行切断时的最大变形量相对最小。即整环最大变形位置顺时针偏转20度附近为最佳切断位置。
5)仿真校验。另选相同型号的静子内环零件毛料，以相同的方式进行切断仿真，并记录仿真数据，如图4所示。多次仿真校验后，在相同的零件，不同的初始状态下进行18次切断仿真，得到的最佳切断位置相同，均是以整环状态下圆度最大跳动点作为0度角向，在偏转20度的方向进行切断。
6)切断工艺的优化。针对不同类型的机匣零件，通过上述方法进行仿真后，再以整环状态下零件最大变形位置作为标记，在多次仿真获得的最大变形量中选取变形量最小的一次所对应的切断角向，进行切断加工。
加工试验表明：按照优化的工艺进行切断，零件切断后变形得到有效控制，多个零件切断后变形结果趋同，零件在后续装夹定位及材料去除过程中的变形现象明显改善，自由状态下零件仍能保持很好尺寸精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种控制机匣零件切断变形的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对零件进行应力测试，获取零件表面相应点的初始应力数据，并对各个点的初始应力数据进行各向投影；
步骤2：根据所有测量点的坐标和应力数据的各向投影获得零件的初始应力场，将零件的初始应力加载到有限元模型中，对零件切割前整环状态下的变形趋势展开仿真分析；
步骤3：记录整环状态下仿真得到的最大应力及最大变形出现的位置；
步骤4：将零件切断前最大变形出现的位置作为初始点，制定多次切断仿真试验计划；
步骤5：根据制定的仿真试验计划，对零件进行多次切断仿真，并记录零件在不同角向切断所引起的最大应力值及最大变形量；
步骤6：将仿真获得的不同角向切断后的最大应力值及最大变形量和切断前的变形数据进行关联性分析；
步骤7：以整环状态下零件最大变形位置作为标记，在多次仿真获得的最大变形量中选取变形量最小的一次所对应的切断角向，进行切断加工。
2.如权利要求1所述的控制机匣零件切断变形的工艺方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
根据零件的结构特征，在零件表面上均匀的选择8-40个坐标点，应用X射线应力检测仪测量每个点位的主应力值，并对每个点位的主应力进行各向应力投影，得到σx,τxy,τxz,τyx,σy,τyz,τzx,τzy,σz9个方向的应力值。
3.如权利要求2所述的控制机匣零件切断变形的工艺方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1：将所有测量点的坐标及9向应力构成的矩阵逐一对应的添加到.pos格式的文件中，获得零件的初始应力场；
步骤2.2：根据零件的加工工艺，设置零件有限元仿真的边界条件，并将零件的初始应力加载到有限元模型中，利用有限元技术对零件切割前整环状态下的变形趋势展开仿真分析。
4.如权利要求1所述的控制机匣零件切断变形的工艺方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
步骤4.1：将零件切断前最大变形出现的位置作为初始点，以此定位基准，每隔10度进行一次切断仿真，共制定18次切断仿真；
步骤4.2：为保证每次切断都在相同的环境下进行，每组切断方案的相对装夹位置必须相同，计算每组切断方案的装夹位置；
步骤4.3：设定第i组的切断方案的两个装夹角向分别为：(10i+60)度和(10i+120)度。
5.如权利要求1所述的控制机匣零件切断变形的工艺方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
步骤5.1：以零件中心点为中心，构造一个矩形片体，矩形片体的长、宽、高按下式构造：
H＝h+2mm；其中，为零件直径，h为零件高度；
步骤5.2：根据仿真试验计划设定的装夹角向进行装夹；
步骤5.3；利用有限元技术模拟切断过程，并记录切断后的最大应力值和最大变形量；
步骤5.4；重复5.2和5.3，获取不同角向切断后的最大应力及变形量。
6.如权利要求1所述的控制机匣零件切断变形的工艺方法，其特征在于，所述步骤6具体为：
以网状结构模拟整环状态下的零件，将不同角向切断后的最大应力及最大变形量和切断前的变形数据进行关联性分析，以整环的最大变形位置为初始点，统计各个角向下切断后的最大应力值及最大变形量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190416 |