傳扭轉接盤高速銑削變形分析與控制

林愛琴 王松濤 佟 勇 鄭敏利 宋繼光

1.哈爾濱理工大學，哈爾濱，150080 2.中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司，哈爾濱，150066

0 引言

傳扭轉接盤是航空發動機典型零件，也是大口徑板壁類零件，其加工精度要求很高。但由于高強度航空鋁合金7475－T7351材料是鍛壓而成的，正反面結構不對稱，且中間大口徑導致零件剛度嚴重下降，加工過程中極易引起變形，使得零件形位精度達不到技術要求。國內外對航空鋁合金薄板件的加工變形研究比較多，如Lin等［1］研究了切削參數和刀具對工件變形的影響。Ratchev等［2－4］建立了毛坯初始殘余應力引起加工變形的數學預測模型，指出零件的最終變形情況與毛坯初始應力的分布狀態等有關。秦國華等［5］以典型鋁合金航空材料構件為例，模擬與分析夾緊力及夾緊順序對其變形的影響過程，提出了裝夾變形的控制技術。武凱等［6－8］采用數值模擬技術研究了薄壁腹板、側壁加工變形規律及其變形控制方案，指出大切深法以及分步環切法可以充分利用薄壁件自身剛性，減小加工變形、提高加工精度。王運巧等［9－10］采用數值模擬技術分析了航空弧形結構件和長梁類零件的整體加工變形，分析過程中考慮了工件初始殘余應力、切削力、夾緊力等因素，但分析過程沒有考慮切削熱的影響。

根據以往研究文獻來看，影響工件變形的因素很多，對于不同結構的零件影響加工變形的主要因素也不同。對于傳扭轉接盤這種大口徑板壁類零件的研究報道相對較少，特別是在實際生產中此類零件的加工變形不易控制，國內還沒有較成熟的加工工藝技術，有必要對此類件進行研究。

1 自重對工件變形的影響分析

1.1 有限元模擬分析

傳扭轉接盤毛坯件是鍛壓成形板材，整體尺寸為960mm×650mm×20mm，質量為40kg。運用有限元模擬和實際測量方法分別對傳扭轉接盤自重引起的變形程度進行分析。為了充分考慮零件的自重，在零件懸空長度最大的兩端由4個墊塊作為支撐。根據力的平衡條件可知：

式中，G 為工件重力；FNi為支持力，i＝1，2，3，4。

輸入鋁合金7475材料自身的屬性，材料密度為2.88×103kg／m3，泊松比為0.32。在4個墊塊處約束X、Y、Z方向的自由度，同時施加FNi，建立有限元仿真模型。通過模型分析傳扭轉接盤自重引起的變形，如圖1所示。

圖1 工件重力引起的變形值

仿真結果表明：傳扭轉接盤的最大變形值為0.086mm，說明在這種支撐位置上，工件的重力對變形是有一定影響的。

1.2 試驗分析

在試驗現場，墊塊擺放位置與仿真時一樣。利用閃燈探頭測量傳扭轉接盤的整體變形，現場測量如圖2所示。

圖2 工件變形的測量現場

測量結果表明：零件在重力方向上最大變形位置與仿真最大變形位置一致，變形值為0.08mm。最大變形值與仿真模擬的值非常接近，驗證了有限元模型的正確性。通過上述兩種方法，都說明了在傳扭轉接盤懸空長度過大的情況下，其自重會引起自身的變形，且變形值較大。

2 夾具及裝夾方式對加工變形的影響分析

考慮傳扭轉接盤的結構、加工特點，在銑削工件大口徑和凸臺平面時，為避免干涉，設計了兩種夾具及裝夾方式。其一：利用壓板、墊塊裝夾。其二：設計一套專用夾具，利用定位銷或沉頭螺釘的定位方式。分別對這兩種裝夾方式引起的工件變形進行研究。

2.1 平衡約束

工件在夾具中的位置確定后，應該滿足在外力作用下始終保持平衡的條件。工件保持平衡的充分必要條件是合力與合力矩都為零，即要求力平衡和力矩平衡，用數學等式表示為

式中，Ri為定位元件i處的法向接觸力；Pj為夾緊元件j處的夾緊力；Ff為摩擦力；Fc為切削力；G為工件重力；T為銑削力矩；m為定位元件個數；n為夾緊元件個數；rc、rf、rg分別為切削力、摩擦力、工件重力的位置矢量；rri、rpj分別為第i個定位點和第j個夾緊點的位置矢量。

2.2 利用壓板進行裝夾

以工件平面為定位基準，設置4個支撐點，用4個墊塊支撐，定位元件為壓板，夾緊點位于支撐面上，夾緊力的方向垂直向下，裝夾方式如圖3所示，在這種裝夾方式下進行高速平面銑削試驗，銑削工件大口徑處的平面，然后卸載夾具，利用千分表進行測量。

測量結果顯示：工件平面變形了0.055mm。說明這種裝夾方式對工件的變形有一定的影響。

圖3 裝夾方式及銑削現場

根據式（2）可知，墊塊位置距傳扭轉接盤圓環中心越遠，需要的裝夾力越小。但是距離遠，使得懸空長度較大，由于墊塊與工件接觸面積較小，在重力的作用下易引起變形，而且在銑刀銑削過程中，易引起工件的微小振動，在卸載時由于裝夾力的消失，易使工件回彈，引起工件的變形。

2.3 設計專用夾具進行裝夾

設計的夾具需要滿足定位牢靠、準確的要求，傳扭轉接盤處在水平工位時懸空量小、垂直大口徑方向上裝夾力小。

加工傳扭轉接盤正面（有凸臺）時的裝夾方式如圖4所示。以工件兩端凸臺的內孔為定位基準，定位元件為長圓柱銷，這種定位方式沒有垂直方向夾緊力。凸臺式的夾具結構方便進行傳扭轉接盤外型輪廓的加工，夾具中部環形槽是為了使鉆均布孔的工序正常進行。這種裝夾方式避免了多次裝夾引起的人為誤差，且懸空長度和懸臂量小。

圖4 加工傳扭轉接盤正面時的裝夾方式示意圖

加工傳扭轉接盤反面（無凸臺）時的裝夾方式如圖5所示。以工件中心圓環面對稱分布的4個孔為定位基準，定位元件為沉頭螺釘，夾緊力方向向下。凸臺式的夾具結構方便進行立銑傳扭轉接盤外形的工序，兩端的懸臂可使鉆孔工序正常進行，沉頭螺釘有利于加工工件平面。這種裝夾方式，Z方向裝夾力小，懸空長度和懸臂量小，使得工件與夾具充分接觸。

在與上述高速銑削試驗相同的切削參數和刀具條件下，選用專用夾具裝夾后進行試切，如圖6所示。卸載夾具后，測得工件的變形值為0.02mm，大大減小了因裝夾引起的變形。

圖5 加工傳扭轉接盤反面時的裝夾方式示意圖

圖6 傳扭裝接盤高速銑削加工現場

3 切削力對工件變形的影響分析

3.1 模擬銑削傳扭轉接盤正面中間圓環面加工變形

通過高速切削力試驗，得到切削速度為800m／min＜v＜1800m／min，進給速度vf＝100mm／min，軸向切深ap＝0.3mm，徑向切深ae＝50mm時X、Y、Z方向的瞬時切削分力曲線，并將瞬時切削分力離散后施加到工件中間圓環面上。利用單元生死技術，模擬在專有夾具裝夾下的切削過程，卸載后工件的變形如圖7所示。

圖7 傳扭轉接盤的變形模擬值（銑削正面中間圓環面）

在切削速度參數范圍內取4個切削速度，其他參數不變，得到一周期內的切削力平均值為15N、25N、35N、45N，其他邊界條件相同，傳扭轉接盤的變形值如圖8所示。

圖8 切削力－加工變形圖（銑削正面中間圓環面）

3.2 模擬銑削傳扭轉接盤反面中間圓環面加工變形

模擬方法和切削力同上，圖9為切削反面中間圓環面時傳扭轉接盤變形的模擬結果。

圖9 傳扭轉接盤的變形模擬值（銑削反面中間圓環面）

切削力分別為15N、25N、35N、45N，其他邊界條件相同，所得傳扭轉接盤的變形值如圖10所示。

圖10 切削力－加工變形圖（銑削反面中間圓環面）

3.3 模擬銑削傳扭轉接盤反面兩端平面加工變形

圖11為銑削工件反面兩端平面時加工變形的模擬結果。

圖11 傳扭轉接盤變形模擬值（銑削反面兩端平面）

切削力為15N、25N、35N、45N，其他邊界條件相同，所得傳扭轉接盤的變形結果如圖12所示。

圖12 切削力－加工變形圖（銑削反面兩端平面）

根據圖7、圖9、圖11可知，隨著切削力的增大，傳扭轉接盤的變形值增大。同樣大小的切削力作用到不同位置時，引起的工件變形不同，在銑反面兩端時變形最大。

由圖8可知，在傳扭轉接盤正面中間位置施加切削力時，改變切削力的大小，零件的變形值變化不大，說明此位置加工時切削力對零件整體的變形影響不大。由圖10可知，銑削傳扭轉接盤反面中間位置時施加切削力，改變切削力的大小，零件的變形值區間較大，說明此位置加工時切削力對零件整體的變形影響較大。由圖12可知，當銑削轉接盤反面兩端位置時施加切削力，切削力的改變引起的零件的變形值變化很大，說明此位置加工時切削力對零件整體的變形影響很大。

4 加工順序對加工變形的影響分析

試驗工件：工件為鋁合金大口徑鍛壓板，材料為7475－T7451，彈性模量與泊松比分別為71.7GPa和0.33；工件數量為2塊；工件整體尺寸為950mm×500mm×24mm。

試驗方法：銑削平面（正反面）時每個工件銑削6次，每層切深為0.3mm，切削速度為1500r／min，進給速度為200mm／min。刀盤為單齒面銑刀，直徑100mm，單晶金剛石刀片，前角10°，后角8°，主偏角90°。夾具選用專用夾具，利用定位銷和沉頭螺釘定位。測量儀器為三坐標測量機。材料去除順序如圖13所示。每銑削一層后自然時效一周（是為保證工件內的殘余應力充分釋放，這樣測量的工件平面度值更準確），然后再繼續銑削。

圖13 試驗材料的去除順序

每層材料去除后的變形情況如圖14所示。用三坐標測量機測量工件的平面度情況，結果如圖15所示。通過圖14和圖15可知，工件1在每一層去除后的變形值波動較大，平面度變化較大。工件2去除方式下平面度變化小，波動幅值小，而且平面度值普遍小于工件1的材料去除方式下的值。通過試驗結果可知：正反面反復銑削的加工方法較先連續切削工件正面再連續銑削反面的加工方法引起的變形值小。主要因為，航空鋁合金7475板件的初始殘余應力沿厚度方向是對稱分布的，在進行正反面反復加工時，可以使工件內部殘余應力均勻、對稱釋放，進而有效地減小工件的變形。

圖14 每層材料去除后工件變形

5 結論

（1）利用有限元模擬分析和試驗現場的測量結果可知，在懸空長度較大的支撐情況下，自重對工件變形有一定的影響。

（2）隨著切削力的增大，工件的變形值也增大。在相同切削力下，加工傳扭轉接盤不同位置時，引起的變形值是不同的。因此，對于加工工件不同位置時，盡量選擇不同的銑削參數進行加工，可以通過改變銑削力大小有效減小工件變形。

（3）通過力系平衡理論和試驗分析了兩種夾具及裝夾方式下工件的變形情況，根據變形值可知，設計的夾具充分減小了自重及裝夾力對工件變形的影響。

（4）通過試驗可知，工件正反面反復銑削的方法大大減小了傳扭轉接盤的變形，這種方法是一種實際有效控制變形的加工方法，研究結果為解決實際生產提供了可靠的依據。

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