大懸臂鈦合金零件加工變形控制方法

孫攀攀，王 勃，謝新春，趙紅娟

(航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009)

由于航空整體結(jié)構(gòu)件品種繁多、形態(tài)復(fù)雜、選材各異，使加工變形問題變得更加突出,是現(xiàn)代飛機(jī)制造的若干瓶頸問題之一[1]。隨著我國航空工業(yè)的迅速發(fā)展，航空設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，對機(jī)載航空設(shè)備的性能提出了更加嚴(yán)苛的要求，而精度高、質(zhì)量輕、壁厚薄和懸臂長等是機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)件的突出特點(diǎn)。在新一代航空設(shè)備中，很多精度指標(biāo)依靠結(jié)構(gòu)件精度保證，產(chǎn)品中很多零件具有較高的設(shè)計(jì)精度，同時(shí)為了減重，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，導(dǎo)致零件的結(jié)構(gòu)剛度比較差，加工時(shí)易產(chǎn)生變形和局部顫振，影響零件的尺寸精度和加工表面質(zhì)量，加工具有極大的難度。鈦合金材料是一種輕質(zhì)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、車輛工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景[2]；但鈦合金熱導(dǎo)率低，切削溫度高，嚴(yán)重影響刀具切削壽命和加工表面質(zhì)量[3]，同時(shí)鈦合金彈性模量小，容易出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，進(jìn)一步導(dǎo)致刀具磨損加劇，加劇切削顫振[4]，一方面嚴(yán)重影響了切削效率的提高；另一方面對表面質(zhì)量完整性的提高產(chǎn)生了重要影響[5]。

輔助支撐技術(shù)可以提高工藝系統(tǒng)剛度，尤其是薄壁工件剛度，不僅可以依靠優(yōu)化零件幾何尺寸、優(yōu)化加工余量，也可以借助于輔助支撐。目前，輔助支撐一般有真空吸盤、多點(diǎn)柔性支撐、填充支撐、剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助支撐及膠接式輔助支撐等[6]。其中，真空吸盤因其吸附力有限，在切削鈦合金薄壁件時(shí)較大的切削力和切削振動(dòng)使得真空吸盤無法起到有效的吸附作用；多點(diǎn)柔性支撐程序調(diào)試過程比較復(fù)雜[7]；石蠟填充一般用于框體類薄壁零件或腹板的加工。由于大懸臂結(jié)構(gòu)的鈦合金零件加工難度更大，加工過程中的振顫、變形現(xiàn)象更嚴(yán)重，本文根據(jù)鈦合金大懸臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用膠接式輔助支撐，以增加支撐的方式提高大懸臂工件的剛度。

1 大懸臂組合件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上設(shè)置有大量的用于結(jié)構(gòu)件間協(xié)調(diào)裝配及連接的定位孔及螺栓聯(lián)接孔，并且對這些孔的尺寸精度及位置精度要求都很高，其制造難度要高于自身結(jié)構(gòu)的制造難度。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件外形普遍不規(guī)則，其中懸臂梁結(jié)構(gòu)的加工難度最大。由于其本身缺乏支撐，在加工過程中易產(chǎn)生顫動(dòng)現(xiàn)象，并且加工此類結(jié)構(gòu)件所使用的刀具長徑比普遍都比較大，易出現(xiàn)顫刀現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件被切傷。

本文以方位軸組合加工件(見圖1)為例進(jìn)行研究，其屬于大懸臂結(jié)構(gòu)，左側(cè)懸臂水平方向懸伸48 mm，垂直方向懸伸100 mm，右側(cè)懸臂存在刀具干涉，導(dǎo)致鏜右側(cè)陀螺固支端軸套時(shí)，鏜桿水平懸伸達(dá)到142 mm。該零件的懸伸大、剛度差，在懸伸處有較高的平行度、同軸度幾何公差要求和表面粗糙度Ra0.8 μm的要求；同時(shí)，懸臂上的慣性軸固支端軸套、陀螺軸游動(dòng)端軸套和陀螺固支端軸套均為鈦合金零件，加工時(shí)需要的切削力大，零件變形更嚴(yán)重，給加工帶來了極大的挑戰(zhàn)。

圖1 方位軸組合加工件

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的一款集結(jié)構(gòu)、流體等分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數(shù)CAD軟件平臺(tái)形成數(shù)據(jù)鏈接，可以完成結(jié)構(gòu)常用的有限元分析任務(wù)。應(yīng)用ANSYS軟件對方位軸組合加工件進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 ANSYS模態(tài)分析結(jié)果

從圖2可以看出，方位軸組合加工件前6階共振頻率分別為310、530、790、950、1 027和1 235 Hz；零件懸臂處剛度很差，極易產(chǎn)生共振，直接加工無法保證懸臂處的幾何公差滿足要求，所以，加工此類零件可能存在如下問題：1)零件懸臂結(jié)構(gòu)處加工會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，導(dǎo)致加工表面粗糙度差，幾何公差難以滿足要求；2)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部加工有干涉，應(yīng)考慮加工刀具避讓問題。

2 大懸臂組合件加工中存在的問題及仿真分析

2.1 存在的問題

在坐標(biāo)鏜床上直接加工左側(cè)懸臂端的慣性軸固支端軸套φ16 mm內(nèi)孔時(shí)，主要加工參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速S為200 r/min，進(jìn)給速度F為15 mm/min，背吃刀量ap為0.05 mm。懸臂上的慣性軸固支端軸套、陀螺軸游動(dòng)端軸套和陀螺固支端軸套幾何公差超差嚴(yán)重，主要超差項(xiàng)見表1。

表1 幾何公差主要超差項(xiàng)

各孔均出現(xiàn)嚴(yán)重的顫刀紋(見圖3)，表面粗糙度為Ra3.2 μm。

圖3 慣性軸固支端軸套顫刀紋

2.2 切削力計(jì)算

左、右懸臂上3個(gè)軸套編號(hào)如圖4所示。慣性軸固支端軸套1號(hào)、陀螺軸游動(dòng)端軸套2號(hào)、陀螺固支端軸套3號(hào)。3個(gè)軸套均為鈦合金零件，鏜孔時(shí)加工參數(shù)見表2。

圖4 左、右懸臂軸套分布

表2 鏜孔時(shí)加工參數(shù)

零件切削力大小與刀具的幾何參數(shù)(前角、后角、主偏角和刃傾角等)、零件材料、背吃刀量ap、進(jìn)給量f、銑削速度vc等密切相關(guān)。本次切削采用單刃鏜刀，切削材料為鈦合金TC4。

根據(jù)金屬切削原理，切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，可表示為[8]：

F=CFapxFfyFvcnFKF

(1)

即

(2)

式中，F(xiàn)C為主切削力，單位為N；FP為背向切削力，單位為N；Ff為垂直切削力，單位為N；ap為背吃刀量，單位為mm；f為進(jìn)給量，單位為mm/r；vc為切削速度，單位為m/min；CF、KF為修正系數(shù)；xF、yF、nF為各因數(shù)對切削力影響程度指數(shù)。切削力的分布如圖5所示。

圖5 切削力的分布

沈陽理工大學(xué)呂楊等通過大量的鈦合金切削實(shí)驗(yàn)，測出切削鈦合金時(shí)的切削力，應(yīng)用MATLAB軟件擬合出航空用鈦合金切削力計(jì)算式，可表示為[9]：

(3)

其中，

(4)

(5)

(6)

由式3～式5可得鏜孔時(shí)零件的受力FC、FP、Ff、F(見表3)。

表3 鏜孔時(shí)各孔受力情況

2.3 仿真分析

工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題有如下兩大類：一類是求結(jié)構(gòu)的固有頻率及相應(yīng)振型；另一類是求在任意動(dòng)力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位置、變形或內(nèi)力隨時(shí)間的變化規(guī)律[10]。結(jié)構(gòu)的固有頻率是其重要的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，是分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的基礎(chǔ)，通過仿真計(jì)算零件的固有頻率，從而分析1號(hào)孔的顫刀紋產(chǎn)生的原因；因此，采用ANSYS的Workbench分析平臺(tái)對方位軸組合加工件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析。

1)建立三維模型。通過UG軟件建立刀具和零件的三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行零件的分析計(jì)算。

2)定義材料屬性。涉及的零件材料主要有鈦合金TC4、鋁合金2A12-T4，材料的相關(guān)特性見表4。

表4 材料屬性表

3)定義連接關(guān)系。本次分析中零件間的連接關(guān)系為螺栓聯(lián)接，在分析模型中將螺栓聯(lián)接的接合面定義為bonded。

φ16孔仿真分析點(diǎn)如圖6所示。在φ16孔上均勻分布5個(gè)切削點(diǎn)，依據(jù)表3鏜孔時(shí)各孔的實(shí)際受力情況，每個(gè)切削點(diǎn)分別設(shè)置100、150、200和250 N這4個(gè)切削力進(jìn)行仿真，切削力的分布如圖7所示，零件的變形情況見表5。

圖6 φ16孔仿真分析點(diǎn)

圖7 仿真時(shí)切削力的分布示意圖

表5 切削仿真結(jié)果

從切削仿真結(jié)果可以看到，在100～250 N的切削力下，5個(gè)采樣點(diǎn)處的變形量為9～48 μm。實(shí)際切削時(shí)，剛度差導(dǎo)致切削厚度處于一個(gè)臨界值，切入時(shí)零件受力過大，使零件發(fā)生彈性變形，從而使切削厚度變薄，切削力減小，結(jié)構(gòu)的彈性變形量減小，導(dǎo)致切削厚度有增大的趨勢，如此往復(fù)，使切削過程始終處于一個(gè)尋找平衡的非穩(wěn)態(tài)，所以產(chǎn)生了嚴(yán)重的顫刀紋。

3 輔助支撐設(shè)計(jì)及效果

由于方位軸組合加工件懸臂處為楔形，傳統(tǒng)的剛性支撐方法能增強(qiáng)零件懸臂處的剛度，但支撐力度很難控制，如果力度過小，剛度增強(qiáng)效果不佳，反之會(huì)把零件撐彈性變形，松開后零件會(huì)產(chǎn)生再次變形，精度難以保證。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一套非剛性-剛性支撐工裝(見圖8)，采用石膏(其力學(xué)性能見表6)作為柔性粘接材料連接零件變形部位和工裝剛性部分，在柔性粘接材料凝固后零件與工裝就成了剛性連接，這樣不僅解決了零件剛度差產(chǎn)生的變形和加工表面接刀紋、顫刀紋，還避免了傳統(tǒng)剛性支撐導(dǎo)致的零件支撐變形。

圖8 非剛性-剛性支撐工裝示意圖

表6 柔性粘結(jié)劑石膏的力學(xué)性能

應(yīng)用ANSYS軟件對增加了非剛性-剛性支撐工裝的方位軸組合加工件進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 增加工裝后零件的模態(tài)分析結(jié)果

從模態(tài)分析結(jié)果可以看到，增加了非剛性-剛性支撐工裝的方位軸組合加工件的前6階共振頻率為664、1 109、1 495、1 642、1 771和1 912 Hz，相對原始狀態(tài)提高了1倍左右，結(jié)構(gòu)剛度得到了顯著提高。

在同樣的加工參數(shù)下，加工左、右懸臂上的3個(gè)軸套時(shí)，各項(xiàng)精度指標(biāo)均得到了保證(見表7)，φ16孔改進(jìn)前、后表面粗糙度對比如圖10所示。

表7 增加輔助支撐后加工精度

圖10 φ16孔表面粗糙度對比

4 結(jié)語

本文主要探究光電探測產(chǎn)品高精度、低剛性復(fù)雜零件的輔助支撐加工方法。提供了一種高精度、低剛度復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)剛性的分析方法，為同類產(chǎn)品加工前剛度好壞的預(yù)判斷提供了檢測方法。給出了一種鈦合金材料的切削力計(jì)算方法，并在實(shí)際加工中進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了一種非剛性-剛性支撐工裝，解決了光電探測設(shè)備中懸臂結(jié)構(gòu)剛度差、鈦合金軸套鏜孔顫刀紋問題。要提高這類高精度、低剛度鈦合金零件的加工精度，還需要在加工參數(shù)、加工刀具和加工技術(shù)方面進(jìn)一步研究。