CN112036057B - 一种飞机结构件制孔孔位控制方法 - Google Patents

一种飞机结构件制孔孔位控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及飞机结构件数控加工领域，具体的说是一种飞机结构件制孔孔位控制方法，其选用零件制孔刀具和切削参数并测量制孔轴向力，进行零件弱刚性结构制孔让刀变形的有限元仿真，获取变形量与加工区域位置的关系U y (x,y)、U z (x,y)，进行钻头断裂风险程度判别，计算许用结构应变值，判断加工区域横向应变是否在许可范围内，进行让刀变形引起的孔位偏差判别，计算引起的孔位偏差，判断变形引起的孔位偏差是否满足孔位要求，如果横向应变或者变形引起的孔位偏差不满足许用要求，在零件结构增加斜筋支撑并重新进行仿真计算，设定斜筋尺寸和位置，迭代至横向应变和变形孔位偏差满足要求，实现飞机结构件弱刚性区域制孔孔位的有效控制，避免制孔位置超差的质量问题。

Description

一种飞机结构件制孔孔位控制方法
技术领域
本申请涉及飞机结构件数控加工领域，具体的说是一种飞机结构件制孔孔位控制方法。
背景技术
由于飞机高速、高机动性等性能要求，飞机结构件结构复杂而且具有很多薄壁结构，弱刚性的薄腹板和缘条结构在加工过程中存在较大的让刀变形，引起加工尺寸偏差。飞机结构件薄缘条上有很多孔结构，用于结构件之间的装配连接。为保证结构件装配后的形位精度，结构件薄壁结构孔加工的精度要求较高，但是由于薄壁结构受切削力作用产生让刀变形，导致孔位发生偏差，而且如果零件结构横向应变太大，零件结构在钻尖钻出时弹性回弹产生较大的横向剪切力，超过刀具结构的横向断裂强度，会导致刀具断裂。
目前，在飞机结构件的数控加工过程中，为避免孔位偏差，一般在零件未精加工前、刚性较好的情况下进行制孔，但是由于零件结构复杂，狭窄区域不能加工，并且该方式不适用于部分结构件装配后进行制孔的工况；另外可以使用专用工装对零件薄壁结构进行支撑，但是专用工装设计、制造成本高，适用范围窄，而且制孔工艺参数及装夹方案制定时缺乏加工工况风险和偏差预估方法的指导，制约了飞机结构件制孔质量和效率的提升。
发明内容
针对飞机结构件弱刚性结构制孔孔位偏差和质量风险高的问题，现提出一种能避免上述情况发生的飞机结构件制孔孔位控制方法。
为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：
一种飞机结构件制孔孔位控制方法，包括如下步骤：
第一步：制孔刀具和加工参数设定；
进一步地，第一步具体为：面向加工零件的材料特性，综合考虑制孔孔径、表面质量、切削力和振动等因素，选用零件加工的制孔刀具和加工参数，在刚性条件较好的工况下制孔满足加工质量要求。
第二步：使用测量仪器测量制孔轴向切削力；
进一步地，第二步具体为：使用切削力测试仪器，设计试验件并按照零件加工选用的制孔刀具和加工参数进行切削试验，采集加工过程的切削力数据，计算选用制孔工艺参数条件下的轴向切削力，作为让刀变形有限元仿真模型构建时载荷的施加依据。
第三步：进行零件结构制孔让刀变形有限元仿真；
进一步地，第三步具体为：针对零件结构特征，构建静力学的有限元仿真分析模型，按照零件装夹方式设置仿真模型的固定边界条件，分别在加工区域均布的位置依次施加载荷，即在加工区域的具有不同的x、y坐标值的位置施加载荷，施加的载荷值为测量的使用设定制孔刀具和加工参数的轴向力Fz，方向垂直于零件加工表面。
进行有限元仿真计算后，获得不同位置施加载荷后的让刀变形量，提取2个方向的让刀变形量值，分别为沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz，依据仿真变形量与位置坐标值(x,y)的关系进行插值拟合，获得函数Uz(x,y)、Uy(x,y)。
第四步：进行钻头断裂风险程度判别；
进一步地，第四步具体为：在零件弱刚性结构钻削过程中，在钻尖钻入零件后结构受到持续的切削力作用产生让刀变形，此时零件结构在2个方向，即沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz的变形量较大，当钻尖钻出零件结构时，零件结构受力减弱进行弹性回弹，弹性回弹会引起对钻头的横向剪切力，如果横向剪切力的作用超过了刀具的横向断裂强度，刀具断裂，严重时还有损伤零件或造成机床设备精度受损。
钻头的横向断裂强度与切削力的关系如下所示：
Figure BDA0002605011250000021
式中，R为刀具的横向断裂强度，F为横向剪切力，l为刀具工作长度，d为刀具直径。
零件结构弹性回弹时的应力应变关系为：
Figure BDA0002605011250000022
式中，E为弹性模量，ε为应变值，σ为应力值，S为零件和钻头的接触面积，r为刀具半径，h为零件和钻头接触厚度。
由上式可知，依据刀具横向断裂强度、刀具规格尺寸等信息可计算避免钻头断裂的许用零件结构应变值K1：
Figure BDA0002605011250000031
使用获得的仿真变形量与位置坐标的关系，计算加工区域不同位置的应变：
ε(x,y)＝Uy(x,y)/y
判断ε(x,y)是否小于K1，如果零件结构应变计算值在许用应变值范围内，断刀风险小，进入让刀变形引起的孔位偏差判别步骤。
如果零件结构应变计算值超过许用应变值范围，即ε(x,y)≥K1，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工，进入修改有限元仿真模型(增加斜筋辅助支撑)步骤。
第五步：进行让刀变形引起的孔位偏差判别
进一步地，第五步具体为：在钻削加工过程中，零件结构受钻削力的作用在沿结构悬伸方向及垂直于加工区域的方向产生较大的让刀变形量，钻削产生的让刀变形导致孔在零件结构受力变形之后的状态下加工形成的。
钻削过程最大的切削力为轴向切削力，并且是持续向下施加在零件结构上，将钻削过程中零件结构的变形变化简化为两个过程，一是零件受钻削力作用产生沿结构悬伸方向的变形量Uy(x,y)、垂直于加工区域的变形量Uz(x,y)；二是零件结构在变形后继续受轴向力作用叠加沿结构悬伸方向和垂直于结构的变形量，因此时零件变形后与变形前的角度变化较小，为简化计算过程提高效率，近似认为叠加的沿结构悬伸方向和垂直于结构的变形量与上一过程中沿结构悬伸方向的变形量Uy(x,y)、垂直于加工区域的变形量Uz(x,y)相同；钻削抬刀后，零件受到的切削力作用消失，零件结构弹性回复引起孔位与理论位置产生偏差，依据仿真让刀变形量可计算变形引起的孔位偏差L(x,y)：
L(x,y)＝Uy(x,y)cos(cot(Uz(x,y)/Uy(x,y)))
依据零件设计要求可设定孔位允许偏差值K2，判断L(x,y)是否小于K2，如果变形引起的孔位偏差L(x,y)在许用范围以内，输出加工参数及装夹方式等加工方案信息，按工艺方案进行零件加工。
如果变形引起的孔位偏差L(x,y)超过了许用范围，即L(x,y)≥K2，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工，进入修改有限元仿真模型(增加斜筋辅助支撑)步骤。
第六步：修改有限元仿真模型，增加斜筋辅助支撑
进一步地，第六步具体为：使用辅助支撑增强，修改装夹方式并进行制孔让刀变形有限元仿真计算后，重新进行钻头断裂风险及让刀变形引起孔位偏差判别，迭代直到ε(x,y)和L(x,y)均满足使用要求。
本发明的有益效果：
本申请选用零件制孔刀具和切削参数并测量制孔轴向力，进行零件弱刚性结构制孔让刀变形的有限元仿真，获取变形量与加工区域位置的关系Uy(x,y)、Uz(x,y)，进行钻头断裂风险程度判别，计算许用结构应变值，判断加工区域横向应变是否在许可范围内，进行让刀变形引起的孔位偏差判别，计算引起的孔位偏差，判断变形引起的孔位偏差是否满足孔位要求，如果横向应变或者变形引起的孔位偏差不满足许用要求，在零件结构增加斜筋支撑并重新进行仿真计算，设定斜筋尺寸和位置，迭代至横向应变和变形孔位偏差满足要求，实现飞机结构件弱刚性区域制孔孔位的有效控制，避免制孔位置超差的质量问题。
附图说明
图1是制孔孔位控制方法的流程示意图。
图2是零件结构钻削让刀变形量仿真云图。
图3是零件沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz分布图。
图4是零件变形引起的孔位偏差L(x,y)分布图。
图5是零件斜筋增加示意图。
图中，1、零件；2、通孔；3、斜筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明专利并不限于本实例。
实施例1
一种飞机结构件制孔孔位控制方法，包括如下步骤：
第一步：制孔刀具和加工参数设定；
进一步地，第一步具体为：面向加工零件的材料特性，综合考虑制孔孔径、表面质量、切削力和振动等因素，选用零件加工的制孔刀具和加工参数，在刚性条件较好的工况下制孔满足加工质量要求。
第二步：使用测量仪器测量制孔轴向切削力；
进一步地，第二步具体为：使用切削力测试仪器，设计试验件并按照零件加工选用的制孔刀具和加工参数进行切削试验，采集加工过程的切削力数据，计算选用制孔工艺参数条件下的轴向切削力，作为让刀变形有限元仿真模型构建时载荷的施加依据。
第三步：进行零件结构制孔让刀变形有限元仿真；
进一步地，第三步具体为：针对零件结构特征，构建静力学的有限元仿真分析模型，按照零件装夹方式设置仿真模型的固定边界条件，分别在加工区域均布的位置依次施加载荷，即在加工区域的具有不同的x、y坐标值的位置施加载荷，施加的载荷值为测量的使用设定制孔刀具和加工参数的轴向力Fz，方向垂直于零件加工表面。
进行有限元仿真计算后，获得不同位置施加载荷后的让刀变形量，提取2个方向的让刀变形量值，分别为沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz，依据仿真变形量与位置坐标值(x,y)的关系进行插值拟合，获得函数Uz(x,y)、Uy(x,y)。
第四步：进行钻头断裂风险程度判别；
进一步地，第四步具体为：在零件弱刚性结构钻削过程中，在钻尖钻入零件后结构受到持续的切削力作用产生让刀变形，此时零件结构在2个方向，即沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz的变形量较大，当钻尖钻出零件结构时，零件结构受力减弱进行弹性回弹，弹性回弹会引起对钻头的横向剪切力，如果横向剪切力的作用超过了刀具的横向断裂强度，刀具断裂，严重时还有损伤零件或造成机床设备精度受损。
钻头的横向断裂强度与切削力的关系如下所示：
Figure BDA0002605011250000051
式中，R为刀具的横向断裂强度，F为横向剪切力，l为刀具工作长度，d为刀具直径。
零件结构弹性回弹时的应力应变关系为：
Figure BDA0002605011250000061
式中，E为弹性模量，ε为应变值，σ为应力值，S为零件和钻头的接触面积，r为刀具半径，h为零件和钻头接触厚度。
由上式可知，依据刀具横向断裂强度、刀具规格尺寸等信息可计算避免钻头断裂的许用零件结构应变值K1：
Figure BDA0002605011250000062
使用获得的仿真变形量与位置坐标的关系，计算加工区域不同位置的应变：
ε(x,y)＝Uy(x,y)/y
判断ε(x,y)是否小于K1，如果零件结构应变计算值在许用应变值范围内，断刀风险小，进入让刀变形引起的孔位偏差判别步骤。
如果零件结构应变计算值超过许用应变值范围，即ε(x,y)≥K1，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工，进入修改有限元仿真模型(增加斜筋辅助支撑)步骤。
第五步：进行让刀变形引起的孔位偏差判别
进一步地，第五步具体为：在钻削加工过程中，零件结构受钻削力的作用在沿结构悬伸方向及垂直于加工区域的方向产生较大的让刀变形量，钻削产生的让刀变形导致孔在零件结构受力变形之后的状态下加工形成的。
钻削过程最大的切削力为轴向切削力，并且是持续向下施加在零件结构上，将钻削过程中零件结构的变形变化简化为两个过程，一是零件受钻削力作用产生沿结构悬伸方向的变形量Uy(x,y)、垂直于加工区域的变形量Uz(x,y)；二是零件结构在变形后继续受轴向力作用叠加沿结构悬伸方向和垂直于结构的变形量，因此时零件变形后与变形前的角度变化较小，为简化计算过程提高效率，近似认为叠加的沿结构悬伸方向和垂直于结构的变形量与上一过程中沿结构悬伸方向的变形量Uy(x,y)、垂直于加工区域的变形量Uz(x,y)相同；钻削抬刀后，零件受到的切削力作用消失，零件结构弹性回复引起孔位与理论位置产生偏差，依据仿真让刀变形量可计算变形引起的孔位偏差L(x,y)：
L(x,y)＝Uy(x,y)cos(cot(Uz(x,y)/Uy(x,y)))
依据零件设计要求可设定孔位允许偏差值K2，判断L(x,y)是否小于K2，如果变形引起的孔位偏差L(x,y)在许用范围以内，输出加工参数及装夹方式等加工方案信息，按工艺方案进行零件加工。
如果变形引起的孔位偏差L(x,y)超过了许用范围，即L(x,y)≥K2，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工，进入修改有限元仿真模型(增加斜筋辅助支撑)步骤。
第六步：修改有限元仿真模型，增加斜筋辅助支撑
进一步地，第六步具体为：使用辅助支撑增强，修改装夹方式并进行制孔让刀变形有限元仿真计算后，重新进行钻头断裂风险及让刀变形引起孔位偏差判别，迭代直到ε(x,y)和L(x,y)均满足使用要求。
实施例2
本发明提出了一种飞机结构件制孔孔位控制方法，具体实施内容如下：
S1：制孔刀具和加工参数设定
面向加工零件1的材料特性，综合考虑制孔孔径、表面质量、切削力和振动等因素，选用零件1加工的制孔刀具和加工参数，在刚性条件较好的工况下制孔满足加工质量要求，本实例中使用直径6mm的麻花钻，切削参数为转速1000mm/min，进给速度100mm/r，制通孔2，使用切削液浇注的方式。
S2：使用测量仪器测量制孔轴向切削力
使用切削力测试仪器，采用零件1加工选用的制孔刀具和加工参数进行切削试验，采集加工过程的切削力数据，本次实例中使用Kistler 9257B测力仪进行切削力采集，测试得到的轴向切削力为230N。
S3：进行零件结构制孔让刀变形有限元仿真
针对零件1结构特征，构建静力学的有限元仿真分析模型，零件1结构特征如图2所示，按照零件装夹方式设置仿真模型的固定边界条件，在零件下表面，即与工作台接触的表面设置固定约束。
分别在加工区域均布的位置依次施加载荷，即在加工区域的具有不同的x、y坐标值的位置施加载荷，加工区域范围为：0<x<350mm，0<y<70mm。
施加的载荷值为测量的使用设定制孔刀具和加工参数的轴向力Fz＝230N，方向垂直于零件加工表面。
进行有限元仿真计算后，获得不同位置施加载荷后的让刀变形量，在每一个分析步(即每个施加载荷位置)提取2个方向的让刀变形量值，分别为沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz，依据仿真变形量与位置坐标值(x,y)的关系进行插值拟合，获得函数Uz(x,y)、Uy(x,y)。
S4：进行钻头断裂风险程度判别
在零件1弱刚性结构钻削过程中，在钻尖钻入零件1后结构受到持续的切削力作用产生让刀变形，此时零件结构在2个方向(沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz)的变形量较大，当钻尖钻出零件1结构时，零件1结构受力减弱进行弹性回弹，弹性回弹会引起对钻头的横向剪切力，如果横向剪切力的作用超过了刀具的横向断裂强度，刀具断裂，严重时还有损伤零件或造成机床设备精度受损。
钻头的横向断裂强度与切削力的关系如下所示：
Figure BDA0002605011250000081
式中，R为刀具的横向断裂强度，F为横向剪切力，l为刀具工作长度，d为刀具直径。
零件1结构弹性回弹时的应力应变关系为：
Figure BDA0002605011250000082
式中，E为弹性模量，ε为应变值，σ为应力值，S为零件1和钻头的接触面积，r为刀具半径，h为零件1和钻头接触厚度。
由上式可知，依据刀具横向断裂强度、刀具规格尺寸等信息可计算避免钻头断裂的许用零件结构应变值K1：
Figure BDA0002605011250000083
本实例中，零件1材料为铝合金，E＝72000Mpa，刀具材料为硬质合金，横向断裂强度R＝4000Mpa，由刀具规格和零件1结构尺寸可知，d＝6mm，l＝64mm，h＝2mm，计算可得许用零件结构应变值K1＝0.0039。
使用获得的仿真变形量与位置坐标的关系，计算加工区域不同位置的应变：
ε(x,y)＝Uy(x,y)/y
判断ε(x,y)是否小于K1，如果零件结构应变计算值在许用应变值范围内，断刀风险小，进入让刀变形引起的孔位偏差判别步骤。
如果零件结构应变计算值超过许用应变值范围，即ε(x,y)≥K1，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工，进入修改有限元仿真模型(增加斜筋辅助支撑)步骤。
S5：进行让刀变形引起的孔位偏差判别
依据仿真让刀变形量可计算变形引起的孔位偏差L(x,y)：
L(x,y)＝Uy(x,y)cos(cot(Uz(x,y)/Uy(x,y)))
本实例中L(x,y)的计算结果如图4所示。
依据零件1设计要求可设定孔位允许偏差值K2，本实例中孔位偏差要求＜
Figure BDA0002605011250000091
孔位允许偏差值K2按照单边偏差设定，为0.1mm。
判断L(x,y)是否小于K2，如果变形引起的孔位偏差L(x,y)在许用范围以内，输出加工参数及装夹方式等加工方案信息，按工艺方案进行零件加工。
如果变形引起的孔位偏差L(x,y)超过了许用范围，即L(x,y)≥K2，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工，进入修改有限元仿真模型(增加斜筋辅助支撑)步骤。
使用辅助支撑增强，修改装夹方式并进行制孔让刀变形有限元仿真计算后，重新进行钻头断裂风险及让刀变形引起孔位偏差判别，迭代直到ε(x,y)和L(x,y)均满足使用要求。
S6：修改有限元仿真模型，增加斜筋2辅助支撑
本实例中，在不使用斜筋3支撑的条件下，ε(x,y)和L(x,y)均不能满足使用要求。按照图5所示，增加两个斜筋3并设置斜筋3尺寸和位置，使用辅助支撑增强后，修改装夹方式并进行制孔让刀变形有限元仿真计算后，重新进行钻头断裂风险及让刀变形引起孔位偏差判别，迭代到ε(x,y)和L(x,y)均满足使用要求。

Claims (5)

1.一种飞机结构件制孔孔位控制方法，其特征在于：包含如下步骤：
S1：制孔刀具和加工参数设定；
S2：使用测量仪器测量制孔轴向切削力；
S3：进行零件结构制孔让刀变形有限元仿真；
S301：以步骤S2中测量轴向力Fz作为有限元仿真模型的施加载荷；
S302：分别在加工区域均匀分布的位置依次施加载荷，即在加工区域的具有不同的x、y坐标值的位置施加载荷，计算获得该位置的让刀变形量；
S303：依据有限元仿真结果，提取2个方向的让刀变形量值，分别为沿结构悬伸方向的变形量Uy、垂直于加工区域的变形量Uz；
S304：依据仿真变形量与位置坐标值(x,y)的关系进行插值拟合，获得函数Uz(x,y)、Uy(x,y)；
S4：进行钻头断裂风险程度判别；
S401：依据刀具横向断裂强度、刀具规格尺寸计算避免钻头断裂的许用零件结构应变值K1；
S402：使用获得的仿真变形量与位置坐标的关系，计算加工区域不同位置的应变ε(x,y)＝Uy(x,y)/y；
S403：判断ε(x,y)是否小于K1，如果零件结构应变计算值在许用应变值范围内，进入让刀变形引起的孔位偏差判别步骤，如果零件结构应变计算值超过许用应变值范围，即ε(x,y)≥K1，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工；
S5：进行让刀变形引起的孔位偏差判别；
S501：依据仿真让刀变形量可计算变形引起的孔位偏差L(x,y)＝Uy(x,y)cos(cot(Uz(x,y)/Uy(x,y)))；
S502：依据零件设计要求设定孔位允许偏差值K2；
S503：判断L(x,y)是否小于K2，如果变形引起的孔位偏差L(x,y)在许用范围以内，进入步骤S7输出加工参数及装夹方式，如果变形引起的孔位偏差L(x,y)超过了许用范围，即L(x,y)≥K2，超出范围的区域需要在使用辅助支撑增强后才能进行加工；
S6：修改有限元仿真模型，增加斜筋辅助支撑，重新进行钻头断裂风险及让刀变形引起孔位偏差判别，迭代直到ε(x,y)和L(x,y)均满足使用要求；
S7：输出加工参数及装夹方式。
2.根据权利要求1所述的一种飞机结构件制孔孔位控制方法，其特征在于：S401中依据刀具横向断裂强度、刀具规格尺寸信息可计算避免钻头断裂的许用零件结构应变值
Figure FDA0003035091810000021
其中R为刀具的横向断裂强度，l为刀具工作长度，d为刀具直径，E为弹性模量，r为刀具半径，h为零件和钻头接触厚度。
3.根据权利要求1所述的一种飞机结构件制孔孔位控制方法，其特征在于：S403中判断如果ε(x,y)≥K1，流程进入步骤S6修改有限元仿真模型，增加斜筋辅助支撑。
4.根据权利要求1所述的一种飞机结构件制孔孔位控制方法，其特征在于：S503中判断如果L(x,y)≥K2，流程进入步骤S6修改有限元仿真模型，增加斜筋辅助支撑。
5.根据权利要求1所述的一种飞机结构件制孔孔位控制方法，其特征在于：S6中修改有限元仿真模型，增加斜筋辅助支撑后，进入步骤S3进行零件结构制孔让刀变形有限元仿真。
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