CN113239461A - 一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，首先，通过切削实验法获得不同切削参数所对应的加工残余应力；然后，通过有限元方法建立具体零件加工残余应力分布与零件变形之间的映射关系；最后，结合切削实验法和有限元方法建立零件变形关于切削参数的响应曲面；在此基础上建立切削工艺参数优化数学模型，以零件变形最小为目标实现零件工艺参数优化。并以叶片模拟零件为例，建立了叶片零件变形关于每齿进给量的响应曲面，采用平均加权法实现了叶片模拟零件叶盆和叶背的进给速度优化，并通过实际的切削加工实验进行了验证。

Description

一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法

技术领域

本发明涉及薄壁零件加工变形控制领域，特别是涉及一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法。

背景技术

目前，复杂薄壁零件是航空航天领域最为普遍的关键构件，这类零件通常由钛合金、高温合金等难加工材料制造而成，具有零件结构刚度小、材料切削加工难度高、零件结构复杂且不对称等显著特点。为获得较高的机械性能，这类零件通常采用整体材料切削加工而成，切削成型过程超过90％的材料被切除。材料切除过程强烈的力-热耦合作用使得零件表层产生严重的加工残余应力。然而，传统的切削加工工艺中，工艺参数的选择通常不考虑零件结构的非对称性。由于零件结构复杂，且零件表面多为自由曲面，整个加工过程工况参数复杂多变，加工结束后零件表层的加工残余应力分布没有规律且无法自平衡，残余应力重新平衡使得零件产生严重的变形而报废，导致零件成本急剧上升，同时也造成资源的极大浪费。

现有的加工工艺为了使得零件表层产生均匀分布的加工残余应力，在零件的精加工工序中通常采用固定的工艺参数，使得最终零件表面产生均匀且对称分布的加工残余应力。然而，由于零件的结构不对称，在对称的加工残余应力载荷作用下，零件仍然会产生较为严重的加工变形。因此，由残余应力作用而引起的难加工材料复杂薄壁零件的变形是制约航空航天装备性能进一步发展的技术瓶颈，其变形控制已成为航空航天领域的重要挑战之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，专门针对由难加工材料构成的非对称结构复杂薄壁零件在残余应力作用下而产生的变形问题，提出一种通过工艺参数优化控制零件表层加工残余应力分布，进而控制零件残余应力变形的方法。可有效提高非对称结构薄壁零件的加工精度和零件成品率、降低零件加工成本。为达此目的，本发明提供一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，具体步骤如下：

1)针对零件具体的材料，通过切削实验法得到不同切削参数所对应的加工残余应力，建立加工残余应力关于切削参数的响应函数；

切削实验法的具体方法为：

首先采用与真实零件相同的材料制作试件，然后采用不同的切削参数加工试件，最后测量或计算获得试件表层所产生的加工残余应力，并通过回归分析方法建立加工残余应力关于切削参数的响应函数；

2)建立真实零件的有限元分析模型，通过有限元分析获得不同加工残余应力载荷作用下零件的变形，建立零件加工残余应力分布与零件变形之间的映射关系；

有限元分析的具体方法为：

根据零件真实的几何模型建立零件有限元分析模型，根据零件真实的材料特效设置有限元模型的参数，在零件不同位置加载不同的加工残余应力载荷进行分析计算，获得不同加工残余应力载荷作用下的零件变形；在零件上选择特征点表示零件整体变形，通过曲线拟合方法建立零件加工残余应力分布与零件特征点变形的映射关系；

3)结合加工残余应力响应函数和有限元分析结果建立零件变形关于切削参数的响应曲面，在此基础上建立切削工艺参数优化数学模型，并对零件不同位置的切削参数进行优化；

切削参数优化的具体方法为：

以零件特征点变形最小为优化目标，建立工艺参数优化数学模型，依据零件变形对切削参数的响应曲面，优化零件不同位置的工艺参数。

作为本发明进一步改进，步骤2)所述零件特征点变形与加工残余应力的映射关系如下：

D_i＝h(σ_j)

i＝(0，1，…，n)；j＝(0，1，…，N)

式中：

D_i表示零件上第i个特征点的变形；

σ_j表示零件上第j个区域的加工残余应力。

作为本发明进一步改进，步骤1)所述加工残余应力响应函数如下：

σ＝f(f_z，v_c，a_e，β)

式中：

σ表示加工残余应力；

f_z表示每齿进给；

v_c表示切削速度；

a_e表示径向切深；

β表示刀轴倾角。

作为本发明进一步改进，步骤3)所述切削工艺参数优化数学模型如下：

式中：

F(x)表示优化目标函数；

g_i(x)表示优化约束条件。

作为本发明进一步改进，所述优化约束条件包括切削力约束、刀具磨损速率约束和机床性能约束。

本发明一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，具体如下：首先，通过切削实验法获得不同切削参数所对应的加工残余应力，然后通过有限元方法建立零件加工残余应力分布与零件变形之间的映射关系，最后结合切削实验法和有限元方法建立零件变形关于切削参数的响应曲面；在此基础上建立切削工艺参数优化数学模型，以零件变形最小为目标实现零件工艺参数优化。并以叶片模拟零件为例，建立了叶片零件变形关于每齿进给量响应曲面，采用平均加权法实现了叶片模拟零件叶盆和叶背的进给速度优化，并通过实际的切削加工实验进行了验证。

附图说明

图1为本发明的总体方案示意图；

图2为本发明的加工残余应力工况响应函数建立流程图；

图3为本发明建立零件特征点变形与加工残余应力分布之间的映射关系示意图；

图4为本发明零件区域划分与特征点选择示意图；

图5为本发明叶片模拟零件模型、测量截面及其测量轨迹示意图；

图6为特征点PA变形-每齿进给响应曲面；

图7为特征点P_B变形-每齿进给响应曲面；

图8为优化前叶片模拟零件变形测量结果；

图9为优化后叶片模拟零件变形测量结果；

图10为优化前后叶片各测量截面测量结果对比；

图11为优化前后叶片各测量截面最大变形对比。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提出了一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，专门针对由难加工材料构成的非对称结构复杂薄壁零件在残余应力作用下而产生的变形问题，提出一种通过工艺参数优化控制零件表层加工残余应力分布，进而控制零件残余应力变形的方法。可有效提高非对称结构薄壁零件的加工精度和零件成品率、降低零件加工成本。

作为本发明一种具体实施例，本发明提供总体流程图如图1所示，加工残余应力工况响应函数建立流程示意图如图2所示，建立零件特征点变形与加工残余应力分布之间的映射关系示意图如图3所示，所示的一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，具体步骤如下：

1)针对零件具体的材料，通过切削实验法得到不同切削参数所对应的加工残余应力，建立加工残余应力关于切削参数的响应函数；

切削实验法的具体方法为：

首先采用与真实零件相同的材料制作试件，然后采用不同的切削参数加工试件，最后测量或计算获得试件表层所产生的加工残余应力，并通过回归分析方法建立加工残余应力关于切削参数的响应函数；

零件区域划分和特征点选取示意图如图4所示，首先可根据零件特征将零件表面划分为N个区域，同时在零件上选择n个特征点表征零件的整体变形，用P₁，…，P_i，…，P_n表示。

所述零件特征点变形与加工残余应力的映射关系如下：

D_i＝h(σ_j)

i＝(0，1，…，n)；j＝(0，1，…，N)

式中：

D_i表示零件上第i个特征点的变形；

σ_j表示零件上第j个区域的加工残余应力；

2)建立真实零件的有限元分析模型，通过有限元分析获得不同加工残余应力载荷作用下零件的变形，建立加工残余应力与零件变形之间的映射关系；

有限元分析的具体方法为：

根据零件真实的几何模型建立零件有限元分析模型，根据零件真实的材料特效设置有限元模型的参数，在零件不同位置加载不同的加工残余应力载荷进行分析计算，获得不同加工残余应力载荷作用下的零件变形；在零件上选择特征点表征零件整体变形，通过曲线拟合方法建立加工残余应力与零件特征点变形的映射关系；

3)结合加工残余应力响应函数和有限元分析结果建立零件变形关于切削参数的响应曲面，在此基础上建立切削工艺参数优化数学模型，并对零件不同位置的切削参数进行优化；

切削参数优化的具体方法为：

以零件特征点变形最小为优化目标，建立工艺参数优化数学模型，依据零件变形对切削参数的响应曲面，优化零件不同位置的工艺参数；

所述加工残余应力响应函数如下：

σ＝f(f_z，v_c，a_e，β)

式中：

σ表示加工残余应力；

f_z表示每齿进给；

v_c表示切削速度；

a_e表示径向切深；

β表示刀轴倾角；

所述切削工艺参数优化数学模型如下：

式中：

F(x)表示优化目标函数；

g_i(x)表示优化约束条件；

所述优化约束条件包括切削力约束、刀具磨损速率约束和机床性能约束。

具体验证案例

为了验证所提出的基于工艺参数优化的复杂薄壁零件加工变形控制方法，采用叶片模拟零件进行切削实验验证，其中叶片模拟零件的加工工艺包括粗加工和半精加工两个工序。采用提出的进给速度优化方法对叶片模拟零件半精加工工艺的进给速度进行优化，并与未优化的实验结果进行对比。

1)进给速度优化：

薄板实验法是获取加工残余应力与切削参数之间关系的方法之一，属于切削实验法的一种，本验证实验首先通过薄板实验法获得了钛合金材料(Ti-6A1-4V)在不同进给速度作用下所产生的平均加工残余应力。其中叶片模拟零件、测量截面及其测量轨迹示意图如图5所示，将叶片表面划分为叶盆和叶背两个子区域，并将计算所得平均残余应力导入到叶片模拟零件的有限元模型中进行逐个分析，计算不同工况下叶片的变形。在叶片叶尖位置选择P_A和P_B两个特征点表征叶片零件的整体变形，通过有限元分析获取不同工况下叶片特征点P_A和P_B的变形，并构造如下式所示的三次样条插值函数分别对特征点P_A和P_B的变形在二维空间插值。

式中：

D_i(f)——每齿进给f所对应的零件观测点的变形；

u，h_i——模型参数，可由下式计算得到。

对有限元预测结果进行插值后可得特征点P_A和特征点P_B的变形-进给速度响应曲面，分别如图6和图7所示。

当特征点PA和P_B的变形同时最小时零件的变形也将达到最小值，然而，同一组切削工况只会产生一种变形结果，对应一组P_A和P_B的变形值。因此，根据平方和加权法确定优化目标的评价函数，如下式所示。

式中：

h(f)——优化目标的评价函数；

和

——分别为观测点P_A和P_B的变形。

根据评价函数可得最终优化结果为：

f^u＝1210，f^d＝520

式中：

f^u，f^d——分别为叶盆面和叶背面的进给速度。

2)切削实验及结果分析

为验证本发明的优化结果，采用相同的方法加工两个叶片模拟零件，其中第一个叶片的叶盆和叶背均采用固定的工艺参数加工，第二个叶片的叶盆和叶背分别采用优化后的进给速度加工，其他工艺参数、刀具以及实验设备均与第一个实验相同。

加工结束后，在叶片零件上选择四个平行的测量截面(分别记为A、B、C、D)如图10所示，采用在位测量系统分别测量两叶片各测量截面的变形，并对测量结果进行拟合，可得如图8和图9所示的变形云图。

为了说明所提出的进给速度优化方法对零件加工变形的抑制效果，将本实验中的测量结果与未优化的测量结果进行对比，各测量截面的对比结果如图10所示。其中圆点表示未优化的测量结果，并通过虚线拟合；星点表示优化后的结果，由实线拟合。通过实验发现，采用优化后的工艺参数加工后，叶片模拟件的变形明显减小。

分析其主要原因是加工叶片模拟零件时，叶盆和叶背采用相同的切削参数，加工结束后，叶片模拟件的叶盆和叶背产生相同的加工残余应力。然而，叶片零件属于典型的结构非对称复杂薄壁零件，对称分布的残余应力使得叶片的叶盆和叶背产生对称的等效作用力，使得叶片零件产生严重的变形，变形后叶片同时表现出明显的扭转变形和弯曲变形。而采用优化后的参数加工后，叶盆和叶背产生大小不同的加工残余应力，进而产生非对称的等效作用力，并与零件结构相互抵消，使得叶片变形明显减小。

为了进一步量化分析工艺参数优化对零件加工变形的抑制效果，将优化前后两零件各截面的最大变形进行对比，如图11所示。

从叶片的整体变形趋势可以看出，优化过程对叶片变形起到了明显的抑制效果，尤其是叶片向上的翘曲现象明显减小。叶片截面A后缘处的最大变形减小93um，截面A前缘的最大变形增大24um，总体变形量减小43.87％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，具体步骤如下，其特征在于：

1)针对零件具体的材料，通过切削实验法得到不同切削参数所对应的加工残余应力，建立加工残余应力关于切削参数的响应函数；

切削实验法的具体方法为：

首先采用与真实零件相同的材料制作试件，然后采用不同的切削参数加工试件，最后测量或计算获得试件表层所产生的加工残余应力，并通过回归分析方法建立加工残余应力关于切削参数的响应函数；

2)建立真实零件的有限元分析模型，通过有限元分析获得不同加工残余应力载荷作用下零件的变形，建立零件加工残余应力分布与零件变形之间的映射关系；

有限元分析的具体方法为：

根据零件真实的几何模型建立零件有限元分析模型，根据零件真实的材料特性设置有限元模型的参数，在零件不同位置加载不同的加工残余应力载荷进行分析计算，获得不同加工残余应力载荷作用下的零件变形；在零件上选择特征点表征零件整体变形，通过曲线拟合方法建立零件加工残余应力分布与零件特征点变形的映射关系；

3)结合加工残余应力响应函数和有限元分析结果建立零件特征点变形关于切削参数的响应曲面，在此基础上建立切削工艺参数优化数学模型，并对零件不同位置的切削参数进行优化；

切削参数优化的具体方法为：

以零件特征点变形最小为优化目标，建立工艺参数优化数学模型，依据零件变形对切削参数的响应曲面优化零件表面不同位置的工艺参数。

2.根据权利要求1所述的一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，其特征在于：

步骤2)所述零件特征点变形与加工残余应力的映射关系如下：

D_i＝h(σ_j)

i＝(0，1，…，n)；j＝(0，1，…，N)

式中：

D_i表示零件上第i个特征点的变形；

σ_j表示零件上第j个区域的加工残余应力。

3.根据权利要求1所述的一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，其特征在于：

步骤1)所述加工残余应力响应函数如下：

σ＝f(f_z，v_c，a_e，β)

式中：

σ表示加工残余应力；

f_z表示每齿进给；

v_c表示切削速度；

a_e表示径向切深；

β表示刀轴倾角。

4.根据权利要求1所述的一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，其特征在于：

步骤3)所述切削工艺参数优化数学模型如下：

式中：

F(x)表示优化目标函数；

g_i(x)表示优化约束条件。

5.根据权利要求4所述的一种非对称结构复杂薄壁零件变形控制方法，其特征在于：所述优化约束条件包括切削力约束、刀具磨损速率约束和机床性能约束。

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