加工過程中負載薄壁件加工的誤差補償方法探究

□張 帆

我國工業在全球化發展背景下，正在積極轉型發展，以期從傳統的粗放型發展模式轉變為現代化高質量發展，提高加工的精準度、智能化與個性化，滿足用戶的多元化需求以及現代化社會建設發展。誤差補償法的探討主要是由于加工過程中為確保精度，須針對工件進行精準度控制，依據加工中出現的彈性變形、熱誤差以及幾何誤差等多種誤差源，探討建模法、薄壁零件加工表面靜態誤差預測及補償技術等實施作用。以薄板工件、雙三次B樣條的實際加工與誤差驗證為例，以尋求在實際加工過程中可有效提高薄壁件加工精度的誤差補償方法，改進工業薄壁件加工技術，優化運用各種誤差監測或預測與補償技術。

一、負載薄壁件實際加工中的誤差控制要求

工業生產中控制好工件誤差，才能夠提高產品生產質量，所以在工業生產與加工中要尤為注重工件加工誤差的控制，特別是負載薄壁件，其性能及用途決定著工件加工的精確度，在加工中對熱誤差、彈性變形以及幾何誤差等要求特別高。例如航空、航天領域中主要是采用整體葉輪的一體式結構進行負載薄壁件加工，既能夠減少發動機零件數量，也憑借多軸聯動數控銑削方法實現工件的加工成型，有效提高加工效率。而整體葉輪的葉片為薄壁結構，在數控銑削中會造成彈性變形，產生加工誤差。在工件實際加工過程中，薄壁工件加工誤差的控制一直都是精密加工的難點與關鍵。

特別是國防、運載和能源等行業對薄壁結構工件的需求量大，既希望薄壁結構減輕重量，又要求工件具有較高的結構強度與性能，可以滿足其使用性能需求。為控制好薄壁結構，針對各個領域的應用需求，將薄壁工件加工成滿足用戶所需的產品，實現精確度高并有效避開其剛度差和易變形的缺點，必須要控制好彈性變形、熱誤差及幾何誤差等多種誤差源，有效控制誤差，同時在加工過程中適時采用誤差補償加工，以提高產品精度。無論是薄板加工、整體還是基于雙三次B樣條插值的薄壁件、整體葉輪加工，都需要在不影響加工過程以及加工標準的前提下，針對各種誤差源進行針對性的誤差預測、誤差分析以及補償技術應用等等，尋找合適的加工參數補償加工誤差，以優化加工效度與精度。

二、加工過程中負載薄壁件加工常用的誤差預測方法

誤差預測在實際加工中都是以誤差模型為主，例如KLINE提出了銑削變形模型，以三邊夾緊一邊自由狀況下，依據矩形薄板的加工過程，建立起銑削變形模型，不過由于未考慮刀具與工件變形的耦合效應，模型的應用價值不高；我國萬敏等在力學性能與力學方法的基礎上，構建了薄壁件的切削力模型，針對周銑加工過程預測刀具與工件的變形，并采用線性規劃方法尋找適合的加工參數，補償加工誤差；HABIBI則用力學模型構建模擬刀具變形過程，預測工件集合誤差。整體葉輪則是通過幾何造型模擬刀位軌跡的生成，聯合B樣條技術實現曲面偏置、曲面延伸、曲面裁剪等過渡算法，并在幾何造型上進行半開式的整體葉輪數控銑削加工工藝流程設計，解決了粗加工分層的關鍵問題，建立起相應刀觸點的誤差計算模型，從而實現誤差預測與尋找誤差補償加工參數。

現代化工業高速發展以來，不少研究者在信息技術、模擬技術以及軟件工程等，綜合考慮集合、物理誤差源等，解析建模困難，進行誤差預測與補償。例如RATCHEV在有限元仿真的基礎上，使用神經網絡理論與有限元分析方法，針對薄壁件建立了柔性預測模型銑削加工過程，構建了柔性預測模型。王志剛則是在分析與試驗的條件下，建立切削力模型，采用有限元分析方法對典型薄壁框體零件加工變形進行研究，認為可以采用數控補償方法減少加工誤差。這些軟件以及信息技術的應用，改變了傳統數字分析過程，可模擬加工過程、再現刀觸點加工軌跡等，實現多元化的誤差分析與補償技術探究。不少由于模型建設中可能會出現因素分析不足的問題，對零件精度的分析不夠深入，就這方面的研究還有待加強。

三、加工過程中負載薄壁件加工的誤差補償方法

構建模型的目的是為了求解模型，針對加工中存在的誤差源進行一一求解，并明確加工中誤差對加工精度的影響。模型求解中，存在兩個關鍵問題，一是數控銑削加工過程中存在刀具掃描體的求解，二是須構建共建曲面建立與更新Z-map模型。

五軸數控銑削加工過程刀具掃描體的求解，應根據包絡理論針對加工過程中的刀位點的軌跡，推導出包絡輪廓線方程。在實驗裝置與加工條件設定標準下，設定好切削參數，采用對A板GLOBALSTATU S121510三坐標測量機確定最后一層的切削加工，獲取薄板的加工誤差數據，選擇數據構造的雙三次B樣條插值曲面，在數據描點中在同一坐標系中，擬合薄壁件加工過程。利用直線與自由曲面的求交算法，將獲得的擬合曲線結合刀具掃描體，構建曲面Z-map模型，并將獲取的Z-map模型采用布爾運算，更新模型數據以及補充模型缺陷。建立好模型之后，根據薄壁件的加工的刀位特點，依據刀具傾角因素，構建平均銑削力經驗公式：

Fz=-200.2713×(Na p/π)·ft-0.6733×Na p/2

(公式1)

設計相應的多因素正交試驗，將具體的實驗數據帶入，以獲取經驗公式的系數，驗證葉片五軸數控銑削加工過程的預測結果。再考慮銑削力與彈性變形的耦合效應，從切削深度以及切削寬度和刀軸傾角等多個切削因素入手，確定迭代計算的反饋變量，基于自由曲面薄壁葉片加工過程多個階段，依據銑削力與彈性變形量的迭代格式，利用專業的軟件，例如Matlab和Ansys，根據自由曲面薄壁葉片的實例過程，計算各個刀觸點的彈性變量，尋找薄壁葉片加工實例的彈性變形規律。另外，將獲得的誤差模型、切削力模型與彈性規律，加工刀位軌跡等，基于雙三次B樣條插值曲面的加工誤差補償方法，獲取各個刀位點的最終加工切深補償量。為驗證結果，可選用新的薄板進行對照加工，在相同條件設置下對薄板進行最后一層切削加工，將獲得的誤差與模型誤差進行比對，取三次加工的平均誤差值，以提高負載薄壁類工件的加工精度。

四、結語

綜上所述，在加工過程中，負載薄壁件的加工精度要求較高，誤差補償方法選擇中，先要構建工件加工誤差模型，再求解模型、獲取加工誤差參數，以及彈性規律與加工刀位軌跡，選用雙三次B樣條插值曲面的加工誤差補償方法，提高薄壁件的加工精度。