薄壁框體零件優(yōu)質(zhì)高效加工工藝方法

1、薄壁框體零件優(yōu)質(zhì)高效加工工藝方法第37卷第4期2011勺:8月東華大學(xué)(自然科學(xué)版)journai()fdonghuauniversity(nai,uraiscience)vo1.37,no.4aug.2o11文章編號(hào):16710444(2011)04041204薄壁框體零件優(yōu)質(zhì)高效加工工藝方法錢玲楠,李蓓智,楊建國(guó),周亞勤,吳雪逖(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海201620)摘要:以航空航天中常用的薄壁框體類零件為例,在提高加工效率和保證加工質(zhì)量的前提下,研究走刀路徑和裝夾方案的優(yōu)選方法,提出了針對(duì)薄壁框體類零件的加工策略,即粗加工裝夾力應(yīng)垂直于框體的最長(zhǎng)邊,刀具平行于框體最長(zhǎng)邊快速走刀是最高效

2、的走刀路徑,盡可能選用小的精加工余量可最大限度地提高框體零件的加工效率.制定了針對(duì)框體類零件的精加工余量計(jì)算式.關(guān)鍵詞:薄壁框體零件;走刀路徑;裝夾方案;精加工余量中圖分類號(hào):th162文獻(xiàn)標(biāo)志碼:aprocessingmethodformanufacturingofthinhighqualityandefficiencywalledframecomponentqianling-nan,l,beizhi,yangjianguo,zhouya-qin,wuxue?ti(collegeofmechanicalengineering,donghuauniversity,shanghai201620,

3、china)abstract:takingthinwalledframecomponentforexample,theoptimizedtoolpathandclampingschemesareselectedtoimproveitsmachiningqualityandefficiency.aimingatthethinwalledframecomponent,themethodsofmachiningincludeclampingforceverticaltothelongestedgeofcomponentduringtheroughmachining,movingthecutterpa

4、ralleltothelongestedgeofframeresultintheminimumtoolpathlengthandlesseningtheallowanceoffinishmachiningassoonaspossibletoimprovethemachiningefficiency.formulaforcalculationoffinishmachiningallowanceisestablished.keywords:thinwalledframecomponent;toolpath;clampingschemes;allowanceforfinishmachining航空航

5、天薄壁件的剛性,工藝性差,極易在裝夾力,切削力及殘余應(yīng)力的影響下產(chǎn)生加工變形,減小薄壁件的加工變形一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),而薄壁件加工變形的影響因素復(fù)雜,因此易造成實(shí)際加工過程中不可控的變形,加工效率低下.朱靜怡等l21從典型航空薄壁零件工藝剛度人手,對(duì)零件落刀位置,零件厚度,加工特征及其相互間的壁厚以及加丁路徑進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到合理運(yùn)用零件的剛度可以制定合理的加工工藝,從而大幅度減/bdlt變形.郭魂等提m了對(duì)框類零件采用拉伸裝夾的方法,改變工件表面的殘余應(yīng)力分布狀態(tài),但并沒有給出具體的方法以確定合適的拉伸力大小.董躍輝等對(duì)加工過程中的薄壁件裝夾方案進(jìn)行了優(yōu)選,將工件視為彈性體,裝夾及

6、支撐作為剛體,運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行了模擬,研究表明夾具或支撐間距較大時(shí),先在剛性較差的材料表面上進(jìn)行裝夾,每個(gè)夾緊力均在一步內(nèi)施加的方案是最佳裝夾方案,但其僅考慮了框類零件的精加工裝夾方案,未考慮主要引起加工變形的粗加工過程的裝夾方案.武凱等.針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)框體零件切削加工收稿日期:20110328基金項(xiàng)目:閏家tt然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975046)作者簡(jiǎn)介:錢玲楠(1987),女,江蘇蘇卅1人,碩士研究生,研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造與丁藝.email:qianlingnan163.corn李倍智(聯(lián)系人),女,教授,email:ibzhi第4期錢玲楠,等:薄壁框體零件優(yōu)質(zhì)高效加工工藝方法413變

7、形問題,提出大切深法及分步環(huán)切法可以充分利用薄壁零件自身剛性,減小加工變形,提高加工精度,但對(duì)于精加工采用大切深法是否適用還有待于驗(yàn)證,且從減小加工變形的角度采用分布環(huán)切的走刀路徑,并沒有考慮到裝夾方案和加工效率的問題.在框體加工時(shí),刀具路徑的長(zhǎng)度和加工時(shí)間主要決定于所選刀具的尺寸,選用大直徑刀具難以加工過渡半徑較小的邊角,而選用小直徑刀具則將增加加工時(shí)間和走刀路徑的長(zhǎng)度.veeramani等針對(duì)此類問題,提出了多刀具結(jié)合加工的方法,而使用多把刀具加工時(shí),必將考慮換刀時(shí)間對(duì)加工效率的影響;iakkaraju提出了刀具沿著多邊形最長(zhǎng)邊平行走刀是最短的走刀路徑;seo等9-1o3提出了偏置加工框體

8、輪廓生成走刀路徑的方法;ramaswami等l_1提出了一種動(dòng)態(tài)編程的算法,獲得了在最大限度上減小工時(shí)的走刀路徑.以上研究均從加工效率的角度出發(fā)優(yōu)化走刀路徑,而未考慮引起的加工變形.本文以薄壁件中的典型框體零件為例,分別考慮粗,精加工過程,提出了針對(duì)薄壁框體類零件的走刀路徑和裝夾方案選用原則,給出了精加工余量計(jì)算方法和薄壁框體零件的加工策略.1框體零件加工工藝分析航空薄壁件大量采用類似圖1所示的框體類零件,該類零件壁厚較薄,一般為25mm,零件加工過程中材料去除量達(dá)8o以上.底板存在大量安裝特征,框體多為不規(guī)則形狀.框體類零件的加工工藝流程如圖2所示.目前,框體零件的加工存在以下難點(diǎn):(1)工

9、件壁厚較薄,去除材料多,加工過程中易變形,尤其是底面平面度難以保證;圖1多框類薄壁件三維模型fig.13dmodelofmulti-framethinwalledcomponent圖2多框薄壁件加工工藝流程fig.2processofmachiningformultiframethinwalledcomponent(2)框體形狀不規(guī)則,加工過程中走刀路徑的安排及刀具的選擇目前仍憑經(jīng)驗(yàn),較難保證加工質(zhì)量和加工效率;(3)精加工余量的分配對(duì)于加.質(zhì)量以及加工效率的保證至關(guān)重要,但目前也憑經(jīng)驗(yàn)確定.2框體粗加工過程分析以單框零件作為研究對(duì)象,其加工工藝流程與多框類零件類似,粗加工階段主要采用臺(tái)虎鉗定

10、位夾緊,為提高加工效率,往往選擇直徑較大的刀具.2.1粗加工過程有限元模型的建立采用有限元分析軟件ansys建立有限元模型,工件材料為航空鋁合金7050t7451,材料彈性模量為71gpa,泊松比為0.33,工件尺寸為240mm140itiitix3omm,整體有限元模型如圖3所示,單元類型為s0iid95,選用直徑為201tim的立銑刀進(jìn)行粗加工,去除大部分材料,勾出框體內(nèi)部輪廓.工件底面采用面定位,限制3個(gè)自由度,側(cè)邊由臺(tái)虎鉗定位并夾緊,限制2個(gè)自由度,為不完全定位,但已符合加工要求.圖3網(wǎng)格劃分模型fig.3gridpartitionmodel414東華大學(xué)(自然科學(xué)版)第37卷2.2銑

11、削過程的動(dòng)態(tài)模擬銑削加工是一個(gè)同時(shí)伴有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜過程,目前,計(jì)算機(jī)還無(wú)法真實(shí)模擬實(shí)際銑削加工.本文采用動(dòng)態(tài)載荷步形式加載切削力,根據(jù)切削力公式,計(jì)算3個(gè)方向的銑削力作為載荷邊界條件.載荷所到之處,材料被去除,材料的去除采用單元生死技術(shù),即將有限元方程的單元?jiǎng)偠染仃嚦艘砸粋€(gè)非常小的減縮因數(shù),將該單元?jiǎng)偠冉档蜑?,即認(rèn)為該單元被殺死.其具體銑削過程的仿真流程如圖4所示.圖4銑削過程仿真流程fig.4processofmillingdynamicsimulation2.3工藝方案采用如圖5所示的兩種裝夾方案,其中:裝夾方式為臺(tái)虎鉗在短邊夾緊;裝夾方式為臺(tái)虎鉗在長(zhǎng)邊夾緊;箭頭指向?yàn)閵A緊力

12、方向.分別采用如圖6所示的6種走刀路徑.圖5兩種裝夾方向fig.5twoclampingdirectionilli(a)靦f序銑i卜1(b)順序銑肖2(c)由內(nèi)向外銑削(d)s形銑2(e)s形銑2(f)由外向內(nèi)銑削圖66種走刀路徑fig.6sixkindsoftoolpath2.4仿真結(jié)果分析對(duì)于框體零件,粗加工時(shí)用臺(tái)虎鉗裝夾,在長(zhǎng)邊夾緊比短邊夾緊加工變形小,采用走刀方向與夾緊力垂直的s形銑削能獲得較小的加工變形,同時(shí),該走刀路徑符合文獻(xiàn)8提出的刀具沿著多邊形最長(zhǎng)邊平行走刀是最短的走刀路徑的觀點(diǎn),保證了加工效率.若考慮刀具空行程時(shí)間,s形銑削較順序銑削也具有明顯的優(yōu)越性,且s形銑削較內(nèi)外環(huán)形銑

13、削路徑更為簡(jiǎn)潔,易于實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)控代碼的編制.仿真結(jié)果如圖7所示,由圖7可知,裝夾方式對(duì)加工變形的影響更為顯著,因此,在制定框體類零件工藝方案時(shí)應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行裝夾方案的選擇,再進(jìn)行走刀路徑的規(guī)劃.(a)(b)(c)(d)(e)(f)走刀路徑圖7兩種裝夾方案下分別采用6種走刀路徑對(duì)應(yīng)的底面最大變形fig.7maximundeformationoftheundersideusingtwoclampingschemesandsixkindsoftoolpathrespectively3框體精加工策略精加工階段加工余量小,又分多次走刀,加工變形小,不會(huì)導(dǎo)致零件尺寸超差,但精加工過程為保證零件表面質(zhì)量,減

14、小表面殘余應(yīng)力,往往選用很小的進(jìn)給量,工時(shí)是粗加工的幾倍,若精加工余量留得太大,將大大降低零件的加工效率.如何在保證加工質(zhì)量的同時(shí),保證加工效率,精加工余量的選取很第4期錢玲楠,等:薄壁框體零件優(yōu)質(zhì)高效加工工藝方法415重要.3.1傳統(tǒng)精加工余量的確定原則在保證得到圖紙規(guī)定的表面粗糙度,尺寸,形狀和位置精度且足夠消除熱處理引起的零件變形前提下,采用盡量小的加工余量,以求縮短加工工時(shí),降低零件制造費(fèi)用.傳統(tǒng)的加工余量確定可由式(1)和(2)計(jì)算,其中,式(1)為單邊余量計(jì)算式,式(2)為雙邊余量計(jì)算式.一+rz+h.+fe+f(1)2z一ta+2(rz+h)+2le.+el(2)其中:為上工序的

15、尺寸公差;r為上工序留下的表面粗糙度值;h上工序留下的表面缺陷層;e上工序留下的工件位置誤差;e為本工序的裝夾誤差.目前,上工序位置誤差和裝夾誤差具體數(shù)據(jù)還沒有統(tǒng)計(jì)資料,精加工余量的確定尚憑經(jīng)驗(yàn),因此加工余量一般都偏大.3.2薄壁框體類零件的精加工余量確定原則薄壁框體零件的精加工余量計(jì)算參考式(1)和(2),式中l(wèi)+ei值通過ansys建立銑削加工仿真模型求解近似得到,記為.但實(shí)際生產(chǎn)中框體的尺寸,形狀,壁厚多變,為簡(jiǎn)化計(jì)算,制定了針對(duì)框體類零件的精加工余量計(jì)算式.式(3)和(4)分別為底面單邊和雙邊余量的計(jì)算式.=to+rz+h.+e(3)2zt,.一l+2(rz+h)+2e(4)其中:為底

16、面變形值,巴一n2a4-bla4-b2(5)z6其中:為底面厚度;a為底面面積;k為底面變形值修正系數(shù);b和b為修正系數(shù).框體底面變形與底面尺寸關(guān)系圖如圖8所示.由圖8可知,底面變形與底面厚度成反比(如圖8(a),與底面面積成正比(如圖8(b).907060要50403020100t|_45678910u126/n(a)框體底面變形與底面厚度(b)框體底面變形與底面面積圖8框體體面變形與底面尺寸關(guān)系圖fig.8relationgraphfordeformationanddimensionsoftheunderside采用式(6)對(duì)如圖9(a)所示的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得擬合圖如圖9(b)所示.e

17、一:一0.0007a一10.1808(6)z61008060巴4020050a/1mm23.04(a)插值圖,.,.一一-i一_1.;一,:一_,_-.i,.-._-i-,.,.,-:.,.一-_,_.一.,靄,._l,-.,一.,一.一(b)擬合圖圖9仿真數(shù)據(jù)fig.9simulationdata通過制定薄壁框體零件的精加工余量計(jì)算式,(下轉(zhuǎn)第430頁(yè))430東華大學(xué)(自然科學(xué)版)第37卷戰(zhàn)略研討會(huì)文集c/863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì).1999.4陳猛,徐宗俊,郭剛.可重構(gòu)制造系統(tǒng)及其關(guān)鍵支持技術(shù)ej;.制造業(yè)自動(dòng)化,2002,24(5):3840.5羅振璧,朱耀祥.現(xiàn)代制造系統(tǒng)m.北

18、京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.6kaiitad,khargonekarpp.formalverificationforanalysisanddesignofreconfigurablecontrollersformanufacturingsystemsc/pr0ceedingsoftheamericancontrolconerence.2000:2533-2539.7李紹成.基于opc的可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)研究d.南京:南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,2005.8schreyerm,tsengmm.designframeworkforplc-basedcontrolforreconfigurabl

19、emanufacturingsystemsc/proceedingsofinternationalconferenceonflexibleautomationandintelligentmanufacturing.2000:33-42.9蔡宗琰,嚴(yán)新民.可重構(gòu)制造系統(tǒng)重構(gòu)算法的實(shí)例研究j.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué),2003,15(2):162-173.1o周炳海,王國(guó)龍,曹永上.制造單元控制系統(tǒng)的可重配置性研究j.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2004(1):4-6.11高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例m.北京:人民郵電出版社,2004.12梁只凱.機(jī)電體化技術(shù)與系統(tǒng)m.北京:機(jī)械工業(yè)出版,1

20、999.13弭洪濤.plc應(yīng)用技術(shù)m.北京:中國(guó)電力出版社.2004.14李道霖.電氣控制與pic原理及應(yīng)用m.北京:電子工業(yè)出版社,2006.(上接第415頁(yè))合理安排粗,精加工,可以在保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上,提高框體類零件的加工效率,縮短加工工時(shí),這在薄壁件加工中是至關(guān)重要的.5結(jié)語(yǔ)通過對(duì)薄壁框體類零件進(jìn)行仿真分析,可知合理按安排粗,精加工,盡可能選用小的精加工余量可最大限度地提高框體零件的加工效率,粗加工階段裝夾力應(yīng)垂直框體最長(zhǎng)邊,刀具沿框體最長(zhǎng)邊快速走刀是最高效的走刀路徑.另外,本文提出了針對(duì)框體零件的精加工余量計(jì)算式.參考文獻(xiàn)1朱靜怡,李蓓智,楊建國(guó).基于薄壁零件工藝剛度的工藝優(yōu)化j.

21、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(2):215-217.2朱靜怡.基于加工誤差綜合分析的薄壁件工藝順序及參數(shù)優(yōu)化方法研究d.上海:東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2010:4146.3郭魂,左敦穩(wěn),王樹宏,等.拉伸裝夾對(duì)航空框類零件加工變形影響的有限元分析j.南京航空航天大學(xué),2005,37(s1):72-76.4董躍輝,柯映林.銑削加工中薄壁件裝夾方案優(yōu)選的有限元模擬j.浙江大學(xué):工學(xué)版,2004,38(1):1721.5武凱,何寧,廖文和,等.薄壁腹板加工變形規(guī)律及其變形控制方案的研究j.中國(guó)機(jī)械工程,2004,15(8):670-674.6veeramanid,gauys.selectionofoptimalsetofcuttingtoolsforageneraltriangularpocketj.intjprodre