CN113182565B - 一种弱刚性型面分区域铣削方法 - Google Patents

一种弱刚性型面分区域铣削方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于涉及数控加工领域，具体涉及一种弱刚性型面分区域铣削方法，包括如下步骤：设定零件型面铣削加工刀具及参数，包括少齿和多齿刀具两种方案，测量切削力，进行试验件设计及让刀变形有限元仿真，获得仿真变形量U与位置坐标值(x,y)的关系函数U(x,y)，依据试验件切削测试和加工要求确定区域划分的临界值U s和U d，进行零件有限元仿真，获得零件仿真变形量U p与位置坐标值(x,y)的关系函数U p(x,y)，比对U p(x,y)与第四步中确定的临界值U s和U d的关系，进行区域划分并匹配参数，输出加工区域及参数等加工方案信息，编制程序进行加工，提升飞机结构件弱刚性型面铣削加工稳定性，避免加工变形偏差导致质量问题。

Description

一种弱刚性型面分区域铣削方法
技术领域
本申请属于涉及数控加工领域，具体涉及一种弱刚性型面分区域铣削方法。
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。为保证结构件装配后的形位精度，结构件薄壁型面结构形位和尺寸精度要求较高，但是由于薄壁结构受切削力作用产生让刀变形，加工发生偏差，而且如果零件结构加工过程受迫振动振幅很大，零件结构在铣削这种断续加工过程中振动剧烈，在加工表面容易产生表面振纹、凹坑等缺陷。
目前，在飞机结构件的数控加工过程中，为避免型面加工偏差，一般在零件未精加工前、刚性较好的情况下进行铣削，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型面铣削的工况；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，而且弱刚性型面铣削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，如果使用整体零件进行切削试验成本高周期长，不能满足产品研制要求，制约了飞机结构件铣削质量和效率的提升。
现有专利如申请号为CN201811288534.3，申请日为20181031，名称为《一种高效铣削弱刚度零件的加工控制方法》的发明专利，其具体方案为：步骤如下：根据切削加工系统动力学方程，计算获得刀具的模态传递函数；通过模态试验，依次获得工件各节点的模态传递函数；通过刀具的模态传递函数和工件各节点的模态传递函数，建立工件不同节点的切削加工传递函数，将切削加工传递函数经过拉普拉斯变换，并通过频域求解稳定区域的方法，获得工件不同节点下的切削加工中的稳定区域；根据稳定区域的切削参数，对工件进行高效稳定加工。上述专利虽然对于弱刚度零件的加工控制方法进行了改进，但是并不能解决飞机结构件弱刚性型面结构铣削加工变形产生偏差和质量风险高的问题。
发明内容
为克服现有技术中提到的上述问题，本发明提出一种弱刚性型面分区域铣削方法。
为实现上述目的，本申请的技术方案如下：
一种弱刚性型面分区域铣削方法，包括如下步骤：
第一步：型面铣削加工参数设定
面向加工零件的材料特性，综合考虑铣削表面质量、切削力和振动等因素，选用零件加工的铣削刀具和加工参数，在刚性条件较好的工况下型面铣削满足加工质量要求。
设计两种加工方案，分别为：
方案一使用齿数为2~4的立铣刀进行铣削，刀具直径D 1，并设定加工参数转速S 1、进给速度F 1、切深A p1、切宽A e1、刀具倾角A 1。
方案二使用齿数为15~25的立铣刀进行铣削，刀具直径D 2，并设定加工参数转速S 2、进给速度F 2、切深A p2、切宽A e2、刀具倾角A 2。
加工过程中小直径的多刃刀具与工件接触的切削刃数量多，减少刀齿与工件无接触的情况，减弱因弹性变形等因素导致的冲击，增强过程稳定性，选用的刀具直径D 2<D 1。但是小直径的多刃刀具的容屑槽空间少，不利于排屑，为避免切屑的挤压摩擦作用，选用较小的进给速度和切宽以减少切削厚度，即F 2<F 1、A e2<A e1，但是参数减少导致加工效率降低。
第二步：使用测试仪器测量铣削三向切削力
使用切削力测试仪器，按照第一步选用的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，计算选用型面铣削工艺参数条件下的切削合力，选用两种方案中切削合力较大的值，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：进行试验件设计及让刀变形有限元仿真
面向零件结构特征，选取弱刚性结构特征，例如高厚比大的缘条、薄腹板、开口结构等弱刚性结构，依据弱刚性结构特征尺寸，采用与零件相同规格的材料，设计具有弱刚性型面的试验件。
使用试验件模型，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，施加的载荷值为第二步中测量获得的切削合力。
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U，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U(x, y)。
第四步：试验件切削测试及区域划分临界值确定
依据第三步中设计的试验件模型，制作至少2个试验件，分成两组，分别采用第一步中提出的2种加工方案进行切削测试，即少齿刀具及匹配参数、多齿刀具及匹配参数。切削测试过程中对加工表面质量和形位、尺寸进行测量。
依据零件加工技术要求中对表面质量和形位、尺寸的公差要求，判别零件型面不同位置是否合格，区分出不合格与合格区域。加工区域同时满足表面质量和形位、尺寸的公差要求为合格区域，否则为不合格区域。
测量临界区位置坐标，形成集合u i (x, y)，然后依据仿真变形量与位置坐标值(x,y)的关系函数U(x, y)，计算获得临界变形量U l (i)。
选取临界变形量U l (i)的最小值最为临界值，通过2种加工方案的切削测试可获得2个临界值，分别为少齿刀具方案的临界值U s和多齿刀具方案的临界值U d。因为多齿方案的铣削稳定性较少齿方案更好，临界值U s<U d。
第五步：零件有限元仿真、加工区域划分及参数匹配
使用零件数模，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，施加的载荷值为第二步中测量获得的切削合力，即载荷的施加与第三步中的有限元仿真模型相同。
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U p，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U p(x, y)。
比对U p(x, y)与第四步中确定的临界值U s和U d的关系，进行区域划分并匹配参数，区域划分结果如下：
区域A1，U p(x, y)≤U s，采用第一步中的方案一，即少齿方案；
区域A2，U s <U p(x, y)≤U d，采用第一步中的方案二，即多齿方案；
区域A3，U p(x, y)>U d，需使用辅助支撑工装控制让刀变形≤U d后采用多齿方案。
如果零件数模型面结构仿真结果只包括区域A1或者只包括区域A1和A2，则按分区域使用上述对应的方案进行加工，如果零件数模型面结构仿真结果包括区域A3，为进一步提高区域A3的加工稳定性，减少质量风险，通过工装对区域A3进行辅助支撑，重新仿真计算验证让刀变形≤U d后，采用多齿方案加工，其余位置的区域A1和A2仍然按照上述对应方案加工。
第六步：输出加工区域及参数等加工方案信息，编制程序进行加工。
附图说明
图1是分区域铣削方法的流程示意图。
图2是零件型面结构铣削让刀变形量仿真云图。
图3是少齿刀具和多齿刀具方案加工振动对比。
图4是区域划分临界值及区域划分示意图。
图中，1、型面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明做更进一步描述。
实施例1
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。
本发明提出了一种弱刚性型面1分区域铣削方法，具体实施内容及注意事项如下：
S1：型面1铣削加工参数设定
面向加工零件的铝合金材料特性，综合考虑铣削表面质量、切削力和振动等因素，选用零件加工的铣削刀具和加工参数，在刚性条件较好的工况下变曲率型面1铣削满足加工质量要求。
设计两种加工方案，分别为：
方案一使用齿数为4的金刚石镶齿立铣刀进行铣削，刀具直径D 1=20mm，并设定加工参数转速S 1=20000r/min、进给速度F 1=9500mm/min、切深A p1=0.5mm、切宽A e1=0.5mm、刀具倾角A 1=25°。
方案二使用齿数为20的整体硬质合金立铣刀进行铣削，刀具直径D 2=6mm，并设定加工参数转速S 2=10000r/min、进给速度F 2=4000mm/min、切深A p2=0.5mm、切宽A e2=0.3mm、刀具倾角A 2=25°。
加工过程中小直径的多刃刀具与工件接触的切削刃数量多，减少刀齿与工件无接触的情况，减弱因弹性变形等因素导致的冲击，增强过程稳定性。但是小直径的多刃刀具的容屑槽空间少，不利于排屑，为避免切屑的挤压摩擦作用，选用较小的进给速度和切宽以减少切削厚度，参数减少导致加工效率降低。
S2：使用测试仪器测量铣削三向切削力
使用切削力测试仪器，按照S1选用的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，计算选用型面1铣削工艺参数条件下的切削合力，选用2种方案中切削合力较大的值，作为让刀变形有限元仿真模型构建时载荷的施加依据。本次实例中使用Kistler 9257B测力仪进行切削力采集，测试得到较大的切削合力为260N。
S3：进行试验件设计及让刀变形有限元仿真
本实例中需加工零件的弱刚性结构为高厚比大的缘条，因此面向零件结构特征，选取高厚比大的缘条，依据弱刚性缘条特征尺寸，采用与零件相同规格的材料，设计具有弱刚性型面1的试验件。
使用试验件模型，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，试验件与工装接触位置、与压板接触位置设置固定边界约束。
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，施加的载荷值为S2中测量获得的切削合力260N。
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）提取让刀变形量值U，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U(x, y)。
S4：试验件切削测试及区域划分临界值确定
依据S3中设计的试验件模型，制作2个试验件，分成两组，分别采用S1中提出的2种加工方案进行切削测试，即少齿刀具及匹配参数、多齿刀具及匹配参数。切削测试过程中对加工表面质量和形位、尺寸进行测量。
依据零件加工技术要求中对表面质量和形位、尺寸的公差要求，表面粗糙度要求小于Ra3.2，形位公差±0.25mm，尺寸公差（-0.2mm,+0.25mm），判别零件型面1不同位置是否合格，区分出不合格与合格区域。加工区域同时满足表面质量和形位、尺寸的公差要求为合格区域，否则为不合格区域。
测量临界区位置坐标，形成集合u i (x, y)，然后依据仿真变形量与位置坐标值(x,y)的关系函数U(x, y)，计算获得临界变形量U l (i)。
选取临界变形量U l (i)的最小值最为临界值，通过2种加工方案的切削测试可获得2个临界值，分别为少齿刀具方案的临界值U s和多齿刀具方案的临界值U d。因为多齿方案的铣削稳定性较少齿方案更好，临界值U s<U d, U s=0.42mm,U d=0.75mm。
S5：零件有限元仿真、加工区域划分及参数匹配
使用零件数模，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，零件与工装接触位置、与压板接触位置设置固定边界约束。
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，施加的载荷值为S2中测量获得的切削合力260N，即载荷的施加与S3中的有限元仿真模型相同。
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U p，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U p(x, y)。
比对U p(x, y)与第四步中确定的临界值U s和U d的关系，进行区域划分并匹配参数，区域划分结果如下：
区域A1，U p(x, y)≤U s，采用第一步中的方案一，即少齿方案；
区域A2，U s <U p(x, y)≤U d，采用第一步中的方案二，即多齿方案；
区域A3，U p(x, y)>U d，需使用辅助支撑工装控制让刀变形≤U d后采用多齿方案。
本实例中，零件数模型面1结构仿真结果包括区域A1、A2和A3，为进一步提高区域A3的加工稳定性，减少质量风险，通过工装对区域A3增加了支撑杆进行辅助支撑，重新仿真计算验证让刀变形≤U d后，采用多齿方案加工，其余位置的区域A1和A2仍然按照上述对应方案加工。
S6：输出加工区域及参数等加工方案信息，编制程序进行加工。

Claims (7)

1.一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于，包含以下内容：
S1：型面铣削加工参数设定；
S11：使用齿数为2~4的立铣刀进行铣削，刀具直径D 1，并设定加工参数转速S 1、进给速度F 1、切深A p1、切宽A e1、刀具倾角A 1；
S12：使用齿数为15~25的立铣刀进行铣削，刀具直径D 2，并设定加工参数转速S 2、进给速度F 2、切深A p2、切宽A e2、刀具倾角A 2；
S2：使用测试仪器测量铣削三向切削力，计算选用型面铣削工艺参数条件下的切削合力；
S3：进行试验件设计及让刀变形有限元仿真；
S31：选取零件弱刚性结构特征，依据弱刚性结构特征尺寸，采用与零件相同规格的材料，设计具有弱刚性型面的试验件；
S32：构建试验件的静力学有限元仿真分析模型，分别在加工区域均布的位置依次施加载荷；
S33：提取不同位置施加载荷后的让刀变形量U；
S34：依据仿真变形量U与位置坐标值(x, y)的关系进行插值拟合，获得函数U(x, y)；
S4：试验件切削测试及区域划分临界值确定
S41：制作至少2个试验件，分成两组，分别采用S1中提出的S11和S12加工方案进行切削测试；
S42：依据零件加工表面质量和形位、尺寸的公差要求，区分不合格与合格区域；
S43：测量临界区位置坐标，计算获得变形量临界值，分别为少齿刀具方案的临界值U s和多齿刀具方案的临界值U d；
S5：零件有限元仿真、加工区域划分及参数匹配
S51：使用零件数模，构建静力学的有限元仿真分析模型，分别在加工区域均布的位置依次施加载荷，提取不同位置施加载荷后的让刀变形量U p，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U p(x, y)；
S52：比对U p(x, y)与第四步中确定的临界值U s和U d的关系，进行区域划分并匹配参数；
区域划分结果为区域A1，U p(x, y)≤U s，采用S11少齿方案；区域A2，U s <U p(x, y)≤U d，采用S12多齿方案；区域A3，U p(x, y)>U d，需使用辅助支撑工装控制让刀变形≤U d后采用多齿方案；
S6：输出加工区域及参数等加工方案信息，编制程序进行加工。
2.根据权利要求1所述的一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于：步骤S1中，选用的刀具直径D 2<D 1，选用较小的进给速度和切宽， F 2<F 1、A e2<A e1。
3.根据权利要求1所述的一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于，S2选用型面铣削工艺参数条件下的切削合力，按照S1中选用的刀具和加工参数进行切削试验，选用S11和S12方案中切削合力较大的值，作为让刀变形有限元仿真模型构建时载荷的施加依据。
4.根据权利要求1所述的一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于，S32分别在加工区域均布的位置依次施加载荷，施加的载荷值为S2中测量获得的切削合力。
5.根据权利要求1所述的一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于，S42依据零件加工表面质量和形位、尺寸的公差要求，区分不合格与合格区域，加工区域同时满足表面质量和形位、尺寸的公差要求为合格区域，否则为不合格区域。
6.根据权利要求1所述的一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于，S43计算获得变形量临界值，测量临界区位置坐标，形成集合u i (x, y)，然后依据仿真变形量与位置坐标值(x, y)的关系函数U(x, y)，计算获得临界变形量U l (i)，选取临界变形量U l (i)的最小值最为临界值，通过S11和S12的加工方案的切削测试可获得2个临界值，分别为少齿刀具方案的临界值U s和多齿刀具方案的临界值U d，临界值U s<U d。
7.根据权利要求1所述的一种弱刚性型面分区域铣削方法，其特征在于，S51分别在加工区域均布的位置依次施加载荷，施加的载荷值为S2中测量获得的切削合力。
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