不銹鋼半環(huán)零件工藝優(yōu)化

許 林 王 威 王小瓊 張啟帆

（1.遼寧職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

靜子內(nèi)環(huán)屬于半環(huán)零件，由于殘余應(yīng)力影響零件變形較大，零件技術(shù)條件難以保證。通過(guò)對(duì)原工藝方案加工零件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，零件圓度0.500 mm～1.250 mm，超出圖紙要求；徑向孔位置度自由狀態(tài)下Ф3.116 mm，超出圖紙要求。靜子內(nèi)環(huán)零件往年的工藝方案都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)物試制的方式來(lái)解決問(wèn)題，技術(shù)驗(yàn)證工作完全依賴零件研制工作進(jìn)行，驗(yàn)證周期長(zhǎng)、成本高，目前亟需一種可以預(yù)測(cè)零件加工過(guò)程變形狀態(tài)的方法，提高零件加工質(zhì)量，降低加工成本。

為解決以上薄弱環(huán)節(jié)和技術(shù)瓶頸，需要開(kāi)展研究制定一套完整、通用、有效的零級(jí)靜子內(nèi)環(huán)加工工藝路線及加工方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝優(yōu)化

為控制半環(huán)零件的變形，需要先識(shí)別出影響變形的主要因素，主要有在毛坯制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和機(jī)械切削加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等[1]。根據(jù)半環(huán)零件加工特點(diǎn)及變形原因，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行研究。提高了半環(huán)零件加工精度，減少加工變形。

1.1 零件工藝路線分析

零件原加工方案為粗車型面→粗車錐面及內(nèi)孔→車工藝邊基準(zhǔn)面→鉆鉸大端面孔→去應(yīng)力熱處理→切斷→精車小端→鉆鉸小端面孔→細(xì)車大端及內(nèi)孔→精車型面→裝配組合→鉆軸向孔→鏜徑向孔。

該加工路線中由于切斷前已將加工定位孔加工完畢，因此在后續(xù)加工中利用該定位孔加工，將無(wú)法消除由于切削加工引起的零件變形量，無(wú)法控制零件變形。

一次優(yōu)化針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)工藝路線進(jìn)行調(diào)整，加工方案改為粗車前端→粗車后端→車前端→去應(yīng)力熱處理→車前端型面→細(xì)車型面→精車型面→鉆鉸定位孔-裝配組合→切斷→鉆軸向孔→組合車型面→鏜徑向孔。

該加工路線將單件半環(huán)加工改為整環(huán)加工，降低加工難度，方便裝夾，提高加工效率，同時(shí)取消單件車加工中工藝定位孔，減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差及限位變形。

二次優(yōu)化在第一次優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上對(duì)零件余量進(jìn)行調(diào)整，裝夾方式改為壓緊，并留出小的工藝安裝邊，但區(qū)別于原始加工方案，安裝邊位置調(diào)整至剛性較強(qiáng)一側(cè)，裝夾方式改為頂緊、壓緊，在精車前去除安裝邊；并將去應(yīng)力熱處理余量從2.5mm調(diào)整為2mm。

1.2 加工路線仿真

針對(duì)優(yōu)化路線思路對(duì)，工藝路線進(jìn)行仿真分析，確定最優(yōu)方案。

AdvantEdge Production Module（PM）軟件是一款綜合切削參數(shù)、走刀路線以及刀具參數(shù)等因素計(jì)算加工過(guò)程切削力的仿真軟件，用戶利用PM軟件可以更好地了解 NC 程序，避免潛在的問(wèn)題，獲得優(yōu)化的思路。用來(lái)縮短加工周期，最大化機(jī)床利用率，避免刀具機(jī)床被破壞。

首先該軟件仿真時(shí)須提供零件初始應(yīng)力狀態(tài)，因此要對(duì)零件初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，為了仿真精確，殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)盡量選擇零件剛性的位置，并且盡量保證應(yīng)力點(diǎn)分布能夠涵蓋零件加工特征。

測(cè)量設(shè)備：Xrd殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x 。

測(cè)量零件：138-1件和139-1件 。

測(cè)量參數(shù)設(shè)定：彈性模量 204GPa；泊松比0.3；密度7.8kg/m3。

測(cè)量位置：重點(diǎn)選擇了20個(gè)點(diǎn)位，分別是小端端面均布8點(diǎn)，大端端面均布8點(diǎn)，周向均勻取4點(diǎn)。

直接測(cè)量的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)是零件在該點(diǎn)的主應(yīng)力，無(wú)法直接用于零件物理仿真的，在工序仿真時(shí)，需要輸入應(yīng)力的張量。

如圖1所示，P為直角坐標(biāo)系OXYZ中一變形體內(nèi)的任意點(diǎn)，在該點(diǎn)附近切取1個(gè)各平面都平行于坐標(biāo)平面的六面體。該六面體上3個(gè)互相垂直的3個(gè)平面上的應(yīng)力分量即可表示該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。σ為主應(yīng)力，τ為切應(yīng)力。σx沿x軸方向主應(yīng)力，σy沿y軸方向主應(yīng)力，σz沿z軸方向主應(yīng)力，τyx為切應(yīng)力，第1個(gè)下標(biāo)指作用面，即以y軸為法線方向的表面，第2個(gè)下標(biāo)指作用方向，即沿x軸方向的切應(yīng)力，同理，τxz為以x軸為法線方向的作用面，沿z軸方向的切應(yīng)力，τyz為以y軸為法線方向的作用面，沿z軸方向的切應(yīng)力，τzy為以z軸為法線方向的作用面，沿y軸方向的切應(yīng)力，τzx為以z軸為法線方向的作用面，沿x軸方向的切應(yīng)力，τxy為以x軸為法線方向的作用面，沿y軸方向的切應(yīng)力。

圖1 任意一點(diǎn)P的應(yīng)力狀態(tài)

為規(guī)定應(yīng)力分量的正負(fù)號(hào)，首先假設(shè)：法向與坐標(biāo)軸正向一致的面為正面；與坐標(biāo)軸負(fù)向一致的面為負(fù)面。進(jìn)而規(guī)定：正面上指向坐標(biāo)軸正向的應(yīng)力為正，反之為負(fù)；負(fù)面上指向坐標(biāo)軸負(fù)向的應(yīng)力為正，反之為負(fù)。3個(gè)正面上共有9個(gè)應(yīng)力分量（包括3個(gè)正應(yīng)力和6個(gè)切應(yīng)力）。這9個(gè)應(yīng)力分量可寫成矩陣形式，如公式（1）所示。

式中：σij為應(yīng)力分量；i為作用平面的法向；j為應(yīng)力作用的方向。正應(yīng)力的平面的法向與應(yīng)力作用的方向一樣，因此用一個(gè)下標(biāo)表示，例如σi、σy、σz。

由于切應(yīng)力互等定理，上列矩陣中對(duì)角的切應(yīng)力是相等的，即：τxy=τyx，τyz=τzy，τzx=τxz。因此，該矩陣為對(duì)稱矩陣，9個(gè)應(yīng)力分量中6個(gè)應(yīng)力分量是獨(dú)立的。

主應(yīng)力I3種表現(xiàn)形式如公式（2）～公式（4）所示。

由此計(jì)算零件應(yīng)力場(chǎng)張量，將計(jì)算的應(yīng)力文件輸入仿真軟件中，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)位的應(yīng)力計(jì)算整個(gè)零件的應(yīng)力分布，讀取的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)會(huì)顯示到零件上，根據(jù)應(yīng)力分布情況進(jìn)行顏色區(qū)分，高量顯示。

零件的設(shè)計(jì)模型無(wú)法直接用于多工序連續(xù)仿真分析。多工序連續(xù)仿真分析主要分析零件在材料去除過(guò)程中的應(yīng)力變化及應(yīng)變的變化，因此需要?jiǎng)?chuàng)建每道工序的中間模型和最終狀態(tài)模型。構(gòu)建能夠用于零件模型布爾運(yùn)算的分割面，即片體零件。

通過(guò)輸入材料屬性、導(dǎo)入每道工序零件模型、加載應(yīng)力、網(wǎng)格劃分和設(shè)置裝夾面等操作完成仿真環(huán)境設(shè)置，3種工藝方案采用同一組殘余應(yīng)力作為初始輸入條件，每道工序的仿真結(jié)果作為下一道工序的輸入條件，實(shí)現(xiàn)工藝路線的多工序連續(xù)仿真。由于3種工藝路線仿真的輸入源相同、參數(shù)設(shè)置相同，所以仿真結(jié)束后，通過(guò)對(duì)比不同工藝路線下的零件應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)，判斷工藝方案的優(yōu)劣。

對(duì)于使用有限元分析的物理仿真軟件，在對(duì)零件進(jìn)行物理仿真之前，需要對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以網(wǎng)格為單位計(jì)算零件每個(gè)微小單元之間的作用力，得到零件的最終變形結(jié)果和應(yīng)力分布結(jié)果。零件工序仿真時(shí)，網(wǎng)格劃分的好壞直接決定仿真結(jié)果的精度。網(wǎng)格劃分越密集，計(jì)算結(jié)果越精確。就目前公司使用的電腦配置，加大網(wǎng)格劃分精度會(huì)影響實(shí)際分析速度，因此合理的網(wǎng)格劃分在工序仿真研究過(guò)程中占據(jù)重要地位。

根據(jù)零件的變形仿真結(jié)果，見(jiàn)表1，靜子內(nèi)環(huán)（前）第一次優(yōu)化與原方案對(duì)比變形最終狀態(tài)降低62.3%，第二次與第一次優(yōu)化對(duì)比零件最終狀態(tài)變形值降低33.45% ；零級(jí)靜子內(nèi)環(huán)（后）第一次優(yōu)化與原方案對(duì)比變形最終狀態(tài)最降低92.15%，第二次與第一次優(yōu)化對(duì)比零件最終狀態(tài)變形值降低20.7%。綜合上述變形結(jié)果，對(duì)于零級(jí)靜子內(nèi)環(huán)（前）/（后）第二次優(yōu)化方案最優(yōu)。

表1 變形測(cè)量數(shù)值對(duì)比

零件加工順序是影響零件應(yīng)力值與變形量的決定性因素，合理的工藝路線是零件加工質(zhì)量的基本保證；零件的裝夾位置與其加工變形量存在關(guān)聯(lián)迭代關(guān)系，合適的裝夾方式既能夠有效控制工件的加工變形量，也能夠改善工件的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值及其分布范圍。

1.3 裝夾及加工過(guò)程優(yōu)化

原工藝裝夾定位采用安裝邊，且安裝邊安排在剛性較差的薄壁邊，由于殘余應(yīng)力釋放，零件進(jìn)行加工時(shí)存在較大變形；優(yōu)化后去掉安裝邊，加工定位采用扇形三抓的漲緊、夾緊方式加工。

車加工時(shí)，壓緊方式改為漲緊方式[2]，利用軟夾具消除裝夾不均勻性，夾具形式如圖2所示。

圖2 零件裝夾示意圖

漲緊結(jié)構(gòu)與夾緊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要有3個(gè)：1）均勻性。即在漲緊或夾緊的時(shí)候它的裝夾緊力在各個(gè)方向上都是一樣的，只有這樣才能保證被加工零件在加工中的穩(wěn)定性以及保證加工質(zhì)量。2）同時(shí)性。即在漲緊的時(shí)候各個(gè)漲緊單元是同時(shí)作用的，這樣可以實(shí)現(xiàn)快速裝夾，大大節(jié)省裝夾時(shí)間。3）穩(wěn)定性。漲緊結(jié)構(gòu)一般漲緊力都很大，而且在漲緊方向有不可逆性，大大增加了加工的穩(wěn)定性。

零件以半環(huán)狀態(tài)進(jìn)行徑向孔加工，且以零件徑向孔基準(zhǔn)面確定零件加工圓心，找正量在0.05 mm以內(nèi)，以靠近切斷面處兩軸向孔確定角向，此時(shí)取消原夾具上的2處定位銷，決定試驗(yàn)自由狀態(tài)裝夾，對(duì)零件進(jìn)行加工驗(yàn)證。采用自適應(yīng)夾具，針對(duì)半環(huán)零件的幾何特性，設(shè)計(jì)面向不規(guī)則變形加工需求的自適應(yīng)夾具裝置，每半環(huán)用遠(yuǎn)離切斷面的2處定位銷固定零件，其余設(shè)計(jì)為可調(diào)結(jié)構(gòu)，利用12處螺帽壓緊零件，保證零件內(nèi)外型面同時(shí)在接近自由狀態(tài)下進(jìn)行切削加工，減小零件變形。

1.4 程序優(yōu)化

該程序優(yōu)化利用PM軟件對(duì)單件及組件關(guān)鍵數(shù)控加工程序進(jìn)行仿真分析，分析各數(shù)控程序中切削力的分布情況和變化趨勢(shì)[3]，總結(jié)影響零件加工質(zhì)量和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，并對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后程序進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)比選擇最優(yōu)方案，以提高零件的加工質(zhì)量。

原工藝路線中所有車程序均為刀補(bǔ)程序，加工中需要操作者手動(dòng)上刀補(bǔ)，加工參數(shù)不穩(wěn)定，零件狀態(tài)受人員因素影響較大，不利于零件加工的一致性及零件的變形狀態(tài)控制，因此優(yōu)化車工序，加工過(guò)程中多次分層加工，固化零件加工參數(shù)F=60r/min，S=0.18 mm/r，減少零件加工過(guò)程不可控因子的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)半精加工及精加工過(guò)程無(wú)人干預(yù)。

通過(guò)數(shù)控程序仿真得出結(jié)論：原程序在直線切削末端及輪廓切削拐角處出現(xiàn)切削力突變，最大切向力為495.7 N，由于該處余量較其余切削部位稍大，導(dǎo)致切向力較大。針對(duì)該問(wèn)題優(yōu)化程序，改變走到路線，均勻加工過(guò)程余量，刀具路徑改進(jìn)后切向力無(wú)突變現(xiàn)象，較平穩(wěn)。最大切向力為466 N。

數(shù)控加工過(guò)程仍然采用分層加工方法，通過(guò)刀心編程實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)操作，且在去余量較大的工序中，程序增加自動(dòng)換刀指令，避免刀具磨損影響零件表面質(zhì)量；刀刃鈍化增加切削力引起零件變形。將原加工方案中沿輪廓分層加工改為軸向一次加工到位，避免拐角處應(yīng)力發(fā)生突變引起零件變形，如圖3所示。

圖3 單件數(shù)控程序優(yōu)化前后對(duì)比圖

鉆孔與螺旋銑加工仿真對(duì)比，通過(guò)PM仿真，仿真鉆孔與螺旋銑在加工過(guò)程中的切削力，鉆孔最大切向力為646 N，螺旋銑最大切向力為134 N，每一個(gè)螺旋線的切削力分布相對(duì)平穩(wěn)。

零件徑向孔加工順序?qū)Ρ龋@孔仿真為對(duì)稱加工，零件在鉆徑向孔時(shí)，已經(jīng)完成了切斷、軸向孔工序的加工，半環(huán)狀態(tài)共計(jì)21個(gè)孔，加工順序?yàn)榈?個(gè)孔，第21個(gè)孔，第2個(gè)孔，第20個(gè)孔，第3個(gè)孔，第19個(gè)以此類推。

通過(guò)分析零件兩端對(duì)稱鉆孔，最大變形值為9.980e-7mm，鉆孔在定位銷位置附近變形最大，兩側(cè)對(duì)稱鉆孔，既能控制零件變形，又能減少零件應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

2 試驗(yàn)對(duì)比

2.1 仿真軟件對(duì)比結(jié)果

利用Virfac仿真軟件對(duì)原工藝與優(yōu)化工藝的零件結(jié)構(gòu)、裝夾方法進(jìn)行仿真，確定各方案各工序的變形及應(yīng)力狀態(tài)根，據(jù)零件的變形與應(yīng)力仿真結(jié)果可知，靜子內(nèi)環(huán)變形平均值優(yōu)化方案較原方案降低60.13%，零件最終狀態(tài)最大值降低62.3%，應(yīng)力平均值第一次優(yōu)化方案較原方案降低62.25%，零件最終狀態(tài)最大值降低78.13%，綜合上述變形及應(yīng)力結(jié)果，可知靜子內(nèi)環(huán)優(yōu)化方案明顯優(yōu)于原工藝方案。

2.2 實(shí)際加工零件驗(yàn)證

采用優(yōu)化后的工藝加工零件，原工藝加工方案徑向孔位置度為3.116 mm，通過(guò)位置度數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后零件徑向孔位置度普遍優(yōu)于原工藝方案，最優(yōu)零件位置度優(yōu)化量級(jí)達(dá)到83.3%，較差零件位置度優(yōu)化量級(jí)達(dá)到41.52%，因此該優(yōu)化位置度明顯提高。

優(yōu)化后零件圓度普遍優(yōu)于原工藝方案，最優(yōu)零件位置度優(yōu)化量級(jí)達(dá)到95.04%，較差零件圓度優(yōu)化量級(jí)達(dá)到76.8%，因此優(yōu)化圓度明顯提高，并且進(jìn)行熱處理后，零件圓度全部合格，滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)該優(yōu)化試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：零件單件整環(huán)狀態(tài)加工，零件加工過(guò)程中圓度及平面度基本可以滿足設(shè)計(jì)圖要求，且整環(huán)加工效率較高；同時(shí)在車加工過(guò)程中全部采用無(wú)人干預(yù)程序，減少加工過(guò)程中人為不可控因素的影響，提高零件的一致性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論與實(shí)踐2個(gè)方面對(duì)零件加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。在工藝優(yōu)化后，主要采用了零件單件整環(huán)加工，組合后切斷，再進(jìn)行精車型面，殘余應(yīng)力釋放后再進(jìn)行精加工的方法，解決了零件在加工完成后變形較大的難題，零件完全符合設(shè)計(jì)圖的要求，較低了廢品率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，該文所采用的工藝方案可作為不銹鋼半環(huán)類零件加工工藝的借鑒方案，具有較大的推廣價(jià)值。但在后續(xù)工作中，應(yīng)進(jìn)一步驗(yàn)證不同材料是否都適用于該加工方案。