CN115755774A - 一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法，基于多工序仿真的装夹方案分析及优化方法，预测装夹方案对连续加工过程中可能产生的变形影响，通过叠加、集中、抵消应力，达到控制零件应力集中区域及应力方向的目标，将导致零件变形的负面因素转化为控制零件变形的有利因素，改善零件加工质量，提升零件加工精度。本发明对装夹方案优化，在数控加工工序连续加工过程中通过叠加、集中、抵消应力，达到控制零件应力集中区域及应力方向的目标，进而将导致零件变形的负面因素转化为控制零件变形的有利因素，改善零件加工质量，提升零件加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天数控加工技术领域，特别涉及一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法。
背景技术
航空发动机机匣零件结构复杂、加工精度要求高，是典型的大型薄壁难加工零件，其加工变形问题一直是航空发动机制造关键技术难点之一。目前，机匣零件装夹工艺方案的制定依赖工艺人员的工程经验，没有考虑装夹应力对零件加工变形的影响。已有研究表明装夹应力是导致零件加工变形的重要因素之一，装夹应力会随着数控切削过程中引入的切削力、热应力等因素共同作用于零件体上，改变零件的应力分布状态。当夹具释放的瞬间，零件的集中应力得到释放，零件出现变形。
目前，装夹变形问题主要有两种研究方法。一种是采用数学方法建模，这种方法通常将工件变形用表示为夹紧力大小、作用点、作用顺序等因素的函数，用有限元方法针对装夹系统建立数学建模，将切削过程分解从而求出工件变形量，用线性规划、遗传算法等方法优化夹紧力、装夹作用点等因素，从而得到最优夹紧方案。另一种方法是应用有限元分析软件建立工件的装夹及切削模型，通过模拟计算求解出夹具的夹紧力及工件变形量，从而得到最优装夹方案。随着有限元技术的应用越来越广泛，应用成熟的有限元软件分析计算已经成为研究切削加工问题的有效手段。
国内外研究学者在装夹方案的仿真分析已经取得重大突破。先进物理仿真技术能够仿真出零件在指定装夹方案下的变形趋势，但是目前的装夹方案仿真技术手段只针对单一工序开展仿真分析，并未开展基于连续仿真分析的多次装夹仿真技术研究。零件的加工变形是多道机加工序在连续加工过程中应力叠加产生的结果，针对一次装夹下的装夹方案仿真分析及优化，对于全机加工艺路线仿真分析而言意义不大。通过开展多工序连续仿真的装夹方案分析，在数控加工工序连续加工过程中通过叠加、集中、抵消等方式控制零件应力分布属于行业空白。到目前为止，尚没有公开的用于航空发动机机匣零件多工序装夹方案的仿真分析及优化方法。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法，具体技术方案如下：
一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法，包括步骤如下：
步骤1，应用X射线应力检测仪测量零件表面指定点位的残余应力，得到零件表面的初始应力数据；
步骤2，导入CAD模型，将初始应力数据加载到零件模型；
步骤3，完成第i道工序的装夹边界设定，重点包含装夹位置、装夹方式、自由度限定方向；
步骤4，应用有限元技术对零件第i道工序进行应力应变仿真，统计仿真得到的最大应力及最大变形出现的位置，并记录具体的数值；
步骤5，判定零件的变形状态；如果仿真结果显示零件变形满足公差要求，跳转到步骤6；否则，进行装夹方案调整，跳转到步骤3；
步骤6，判断当前工序是否是最后一道工序；如果当前仿真工序是最后一道工序，输出优化的装夹方案，流程结束；否则，跳转到步骤7；
步骤7，输出应力、应变的数值仿真结果，通过数据继承的方式将仿真结果输入到下一道工序仿真环节中；
步骤8，完成第i+1道工序的装夹边界设定；
步骤9，应用有限元技术对零件第i+1道工序进行应力应变仿真；
步骤10，判定零件的变形状态；如果仿真结果显示零件变形满足公差要求，跳转到步骤12；否则，跳转到步骤11；
步骤11，判断当前工序装夹方案改进次数，当装夹方案改进次数Fixn<4，跳转到步骤8；否则，对上一道工序进行装夹方案调整，跳转到步骤3；
步骤12，判断当前工序是否是最后一道工序；如果当前仿真工序是最后一道工序，输出优化的装夹方案；否则，跳转到步骤13；
步骤13，令i＝i+1，跳转到步骤8进行下一道工序的应力应变仿真分析，直至所有工序的装夹方案都进行过分析优化，得到满足工艺方案变形控制的装夹方案。
所述的一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法，其优选方案为，步骤11中，所述装夹方案调整，指通过调整定位点、夹具加紧位置、夹紧力施加方向、增加辅助支撑，改善零件应力集中现象，达到控制零件加工变形的目标。
本发明的有益效果：
本发明首次提出面向航空发动机机匣零件应力控制的多工序装夹方案分析及优化方法，基于多工序连续仿真的装夹方案分析及优化方法有效改善零件表面应力分布，改善零件加工质量。此项技术可应用于各种机匣零件装夹应力控制中，经济效果及社会效益巨大。
加工试验表明：按照本发明分析方法对装夹方案优化，应力控制在300MPa以内，变形控制在0.02mm以内，零件各工序加工变形得到明显控制，多个零件加工后结果趋同，自由状态下应力释放引发的变形得到有效控制。
该方法的实现，不仅解决多个型号机匣类零件由于装夹带来的不规律变形问题，同时可以应用于涡轮盘零件、轴颈零件、鼓筒零件等回转体类零件的装夹方案分析、评估、优化及应力调控，具有较强的通用型和实用性，在为企业提升核心创新能力和研发效率的同时创造巨大的经济效益。
附图说明
图1为本发明的基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法流程图；
图2为本发明第n道工序的切削区域及夹持区域示意图，CuttingFacen是待加工区域车前端端面，A面是基准面，B面是夹持面；
图3为本发明第n+1道工序的切削区域及夹持区域示意图，CuttingFacen+1是待加工区域车基准，C面是基准面，D面、E面、F面为不同装夹方案的夹持面；
图4为本发明第n+2道工序的切削区域及夹持区域示意图，CuttingFacen+2是待加工区域细车内型面，G面是基准面，H面、K面为不同装夹方案的夹持面。
具体实施方式
以下结合附图1-4和实施例对本发明作进一步详述。
本发明采用先进的物理仿真技术，通过应用多工序连续仿真分析方法，预测装夹方案在数控加工中可能产生的变形影响，通过叠加、集中、抵消应力，达到控制零件应力集中区域及应力方向的目标，将导致零件变形的负面因素转化为控制零件变形的有利因素，改善零件加工质量，提升零件加工精度。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
1)应用X射线应力检测仪测量零件表面指定点位的残余应力，得到零件表面的初始应力数据，并将应力加载到零件模型上；
2)分析零件工艺规程，确定零件每道工序的初始装夹方案，如图2、图3、图4所示是航空发动机某型号环形机匣零件，零件在第n道工序加工时出现变形，之后的第n+1工序、第n+2道工序都出现较大变形。零件原始工艺方案中：
第n道工序车前端端面CuttingFacen，其装夹方案是以小端端面(A面)为基准，涨紧零件小端内型面(B面)；
第n+1道工序车基准CuttingFacen+1，其装夹方案是以大端端面为基准(C面)，夹紧零件大端外圆(D面)；
第n+2道工序细车内型面CuttingFacen+2，其装夹方案是以小端端面(G面)为基准，压紧零件大端安装边(H面)；
3)按照原始装夹方案设定边界条件，以第n道工序为例，按照工艺规范，选择第Point1～Point4作为定位装夹点；
4)对第n道工序、第n+1道工序、第n+2道工序开展仿真分析。优化装夹方案之前：
Disn＝0.013mm，En＝260.8MPa；
Disn+1＝0.128mm，En+1＝363.8MPa；
Disn+2＝0.487mm，En+1＝561.3MPa；
5)应用本专利实施方案开展装夹方案分析优化时，第n道工序已经完成加工，为改善后续工序的加工变形现象，对第n+1道工序开展详细装夹方案仿真分析；
第n+1道工序精车基准面：工序零件以大端端面为基准，夹紧零件大端外圆，车加工小端端面，端面去除量2mm，为对比不同装夹方案变形控制效果，提出三种装夹方案：方案一：夹紧D面，即大端外圆位置；方案二：涨紧内孔面E面；方案三：夹紧外圆的锥面F面，如图3所示。应用第n道工序的装夹方案仿真结果对第n+1道工序的三种方案分别进行应力应变仿真，得到三种方案的应力应变数值：
Dis1 n+1＝0.128mm，E1 n+1＝363.8MPa；
Dis2 n+1＝0.141mm，E2 n+1＝479.6MPa；
Dis3 n+1＝0.126mm，E3 n+1＝266.4MPa；
从仿真结果可以看出，夹持面能够选择锥面，其变形量和应力状态都能得到较好控制，但实际加工过程中，难以夹持到锥面，因此实际加工过程中难以应用；涨紧的装夹方式和夹紧柱面的装夹方式相比，涨紧的应力集中现象不明显，其变形量相对较小；
6)选择n+1工序的仿真结果作为第n+2道工序的输入条件，对第n+2道工序分别用夹紧的方式及压紧安装边的方式进行装夹设定，得到四组应力应变数值：如表1
表1
7)按照仿真结果确定最终装夹方案：
针对n+1工序单道工序仿真结果分析：涨紧E面的装夹方案对变形和应力的控制程度不如夹紧的装夹方式；
对于整个工艺路线而言：n+2工序是车内型面和大端端面，当n+1工序选择夹紧零件大端外圆D面的夹紧方式时，n+2工序车内型面会导致零件进一步加剧变形；当n+1工序选择涨紧E面的装夹方式时，虽然就单道工序仿真结果，n+1工序的变型量稍大，但当n+2工序车内型面时，变型量进行抵消，零件变形反而得到控制。
综上所述，原始工艺路线的装夹方案，对零件变形控制的效果最差。从整个工艺路线的装夹方案分析结果考虑，n+1工序选择涨紧E面，n+2工序的装夹方案选择压紧H，可获得最佳变形控制效果。
8)加工验证，零件按照改进的装夹方案进行装夹，加工后零件的变形得到有效控制，且连续加工4个零件，变形结论一致。
Claims (2)
1.一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤1，应用X射线应力检测仪测量零件表面指定点位的残余应力，得到零件表面的初始应力数据；
步骤2，导入CAD模型，将初始应力数据加载到零件模型；
步骤3，完成第i道工序的装夹边界设定，重点包含装夹位置、装夹方式、自由度限定方向；
步骤4，应用有限元技术对零件第i道工序进行应力应变仿真，统计仿真得到的最大应力及最大变形出现的位置，并记录具体的数值；
步骤5，判定零件的变形状态；如果仿真结果显示零件变形满足公差要求，跳转到步骤6；否则，进行装夹方案调整，跳转到步骤3；
步骤6，判断当前工序是否是最后一道工序；如果当前仿真工序是最后一道工序，输出优化的装夹方案，流程结束；否则，跳转到步骤7；
步骤7，输出应力、应变的数值仿真结果，通过数据继承的方式将仿真结果输入到下一道工序仿真环节中；
步骤8，完成第i+1道工序的装夹边界设定；
步骤9，应用有限元技术对零件第i+1道工序进行应力应变仿真；
步骤10，判定零件的变形状态；如果仿真结果显示零件变形满足公差要求，跳转到步骤12；否则，跳转到步骤11；
步骤11，判断当前工序装夹方案改进次数，当装夹方案改进次数Fixn<4，跳转到步骤8；否则，对上一道工序进行装夹方案调整，跳转到步骤3；
步骤12，判断当前工序是否是最后一道工序；如果当前仿真工序是最后一道工序，输出优化的装夹方案；否则，跳转到步骤13；
步骤13，令i＝i+1，跳转到步骤8进行下一道工序的应力应变仿真分析，直至所有工序的装夹方案都进行过分析优化，得到满足工艺方案变形控制的装夹方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于连续仿真的机匣零件装夹应力调控方法，其特征在于：步骤11中，所述装夹方案调整，指通过调整定位点、夹具加紧位置、夹紧力施加方向、增加辅助支撑，改善零件应力集中现象，达到控制零件加工变形的目标。
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