薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术

2020-01-08张庆

湖北农机化 2020年15期

张庆

(商丘职业技术学院，河南商丘 476000)

1 薄壁零件数控加工误差分析

用于飞机发动机大型、小型叶片转子、径向轮、叶片和其它零件的高性能发动机通常是基于钛合金，通过其元素的特性构建完善的薄壁结构。但由此带来的误差问题，是切削力在加工流程中不可避免的，同时其还包含的残余张力，两者相结合会导致零件潜在的变形和加工误差。由此，技术人员需针对性分析薄壁零件加工过程，并有效地根据其切削力完成建模工作，同时还需依据表面残余应力在工件上的分布进行科学规范地建模，根据数据分析与逻辑概念，进一步针对薄壁零件加工变形误差采取相应的误差补偿计划。基于所创建切削力预测模型以及针对残余应力计算的精确化模型，技术人员进行针对性的技术优化，诸如切削过程的机械模拟、切削参数的优化、刀具位置轨迹的补偿以及薄壁叶轮零件的精密CNC加工。

实际上，由于数控机床的切割，在加工过程中不可避免地会发生某些误差，这些误差直接影响加工质量。现阶段，存在大量的研究内容来分析错误的根源，正确地纠正错误，并提高处理质量和准确性。例如，新技术、新材料和新施工方法在实际施工过程中的灵活应用促进了当前CNC加工，以实现高水平的精度和刚性控制。同时，由于机床当前的热变形，切削力的变形等因素，直接导致加工误差，仅通过改善机床结构的当前设计无法避免其误差，从而进入现阶段。CNC机床的加工精度受到影响。例如，当前更常见的误差补偿方法主要包括刀具位置路径的预校正方法和在线实时控制方法，误差补偿技术提高了零件加工的准确性。例如，在常规构造中，如果加工部件本身具有良好的刚性，则其在力作用下的变形很小或没有变形，这是刚性部件并且不受变形的影响。在加工薄壁零件时，表面加工容易变形，而且由于使用特殊的工具也容易变形，这最终会影响零件的精度。为确保足够的精度，技术人员应进行适当的计算以实现预补偿并消除影响。

多年来，技术人员已经进行了大量研究，以识别并有效消除所有这些错误源。一方面，随着当前薄壁零件设计方法的更新换代，技术领域的改进以及崭新的材料技术应用，再搭配目前先进化的数控零件加工设备。在当前一定的薄壁技术手段下，可以完成较为准确的材料刚度以及方位点的运动与控制，从另一角度分析，仅仅通过这种方法，针对热变形以及机床切削力变形而导致的一系列加工误差而言。不能做到完全地避免，只能做到一定的控制与误差分析。在今后的探索与改进中，针对机床结构设计这一领域要更为充分创新，避免原有技术对于薄壁数控机床所涵盖精度和质量的限制。尤其是在针对复杂薄壁零件的处理流程中，这些问题尤为重要。刀具位置路径的实时在线控制方法和预校正方法是2种常用的误差补偿实现方案。借助误差分析与补偿手段，可以适当提升加工高精度零件的准确度。

2 切削力建模与工件切削表面残余应力分析

切削力建模受切削力影响，同时影响到加工的当前变形控制、工艺参数的优化、工具和机床的振动控制等。经过不断地创新和研究，逐步阐明了切削力模型的建立，并灵活地利用了应变率、应变切削速度和进给速度之间的函数关系。使用当前指定的刀具几何参数，技术人员可以清楚了解相关条件，进一步确认单元的未知切削系数，并获得有关模型切削力的最终信息。为了优化工艺参数，加工变形的控制，设备设计，刀具磨损的监视以及机床系统的结构等方面非常重要。近年来，国内外科学家非常重视创建精确的模型来预测切削力。现有的切削力建模方法主要包括：(1)完整的经验模型；(2)基于实验的机械模型；(3)基于切削机理的物理模型；(4)基于人工智能的神经网络模型。根据工具钢的锯齿形断面轮廓，然后通过模型分析斜边的剪切力、铣刀的几何形状，进而会受到轴向切削差异的影响。微细分铣削力是切削元件面积和单位切削力的乘积，提出了一种简单有效的确定单位切削力模型系数的方法，使用球形端头工具对自由形状的表面进行多轴铣削，工具与工件之间的接触面积以及未变形切屑的几何形状会进一步变化。技术人员使用Z-Map方法确定刀具与工件之间的接触面积，将接触面积与切削段在刀具平面中的相对投影位置进行比较，然后确定切削过程中是否包含微量元素段。

3 工件切削表面残余应力

实际上，残余应力的存在直接影响其性能和疲劳强度，甚至会引起变形，这会产生更严重地影响并降低零件本身的性能和精度。因此，技术人员着重于如何进行有效地预测控制以及如何促进对工件表面上的残余应力的合理预测控制，从而从根本上改善工件的性能并确保加工精度。例如，当前由变形较大的热弹性塑料制成工艺，可以有效地模拟当前不同的切削速度，了解切削深度条件下表面上残余应力的实际分布，并阐明沿工件表面深度方向的内应力的变化。工件加工表面上残余应力的存在，会显著影响其疲劳强度和性能。由残余应力引起的变形也显著降低了工件的加工精度，尤其是航空航天工业中常用的薄壁结构。准确预测和控制工件表面的残余应力和变形，提高加工表面的完整性，提高CNC加工精度一直是精密和超精密切削领域的重要研究课题。技术人员利用热弹塑性变形的有限元方法，模拟了在不同切削速度和切削深度下NiP合金高精度切削表面残余应力的分布情况，确定沿工件表面深度的残余压应力。最大残余压缩应力的位置，随着切削深度的增加而增加。技术人员研究了材料的抗拉强度，使用盲孔法测量残余应力，对于选定的切削参数范围，使得工件表面的残余应力基本上处于压缩应力下。

4 现阶段数控加工变形误差的控制补偿方案分析

通过采取灵活有效的错误控制措施，从根本上提高了当前零件的精度并可以满足当前的要求。例如，在此阶段中，主要从两个角度执行用于薄壁零件的高效和精密CNC加工的关键技术：一方面，灵活地使用当前切削过程的物理模拟和补偿变形误差的技术。主要内容包括建模和切削当前切削力机理，切削参数等。另一方面，它是当前的五轴编程和抗干扰技术。主要内容包括通道处理，通道分析，确定对接域，平滑工具轴矢量以及检查工具位置路径的生成。如果要更改当前的CNC加工技术并提高其精度和效率，则应进行适当地创新和进一步优化。特别是可以从以下角度进行操作：首先进行深入分析，更好地了解材料，切削机构利用其自身的功能来实现切削参数，切削力的大小，残余应力在工件上的分布。工件表面及其它相关内容，并通过了解其定量关系来提高其精度。其次，在加工过程中将当前的残余应力，切削力等信息输入到已建立的模型中，以便在当前阶段的基础上从根本上模拟切削过程的动力学和特性，分析在诸如刀具路径和各种切削参数等相关条件下结构的变形规律，以确保提高零件的精度并符合现行标准。最后，灵活地使用当前体积单位表示零件，然后阐明其自身的实际变形轮廓。工具区域的布尔运算可充分描述材料的实际去除过程并控制整个过程。在加工过程中，有必要在运算分析的基础上，基于所包含的零件误差实际，完善评估当前变形，基于其所引起的潜在数控加工误差充分计算，进而得出较为精准的刀具位置误差补偿量，并不断优化最终实现数控加工刀具位置的原始轨迹，以保证加工精度，满足当前需求。技术人员深入研究材料的高速切削机理，确定切削参数与切削力之间的定量关系，工件加工面上的残余应力分布等，这就是材料去除过程的正确描述方式。研究发现，生产工人在加工过程中，很难为零件组的形状确保仿真计划的刀具位置路径，以确保加工精度，这会导致薄壁零件的误差。在这一点上，技术人员有必要灵活运用当前的误差补偿原理，以阐明零件变形的规律，使用补偿技术优化切削参数，校正原始轨迹并提高零件的精度。