大型薄壁筒件數(shù)字減薄中的變形自適應(yīng)補(bǔ)償方法

王成龍 賀永海 孫 杰 劉海波 王永青

設(shè)計(jì)·工藝

大型薄壁筒件數(shù)字減薄中的變形自適應(yīng)補(bǔ)償方法

王成龍賀永海孫 杰劉海波王永青

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024；2.西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司，西安 710025）

針對大型薄壁筒件剩余壁厚精準(zhǔn)控制難題，研究了一種加工變形自適應(yīng)補(bǔ)償方法。綜合考慮了整體變形和彈性讓刀變形，基于尺寸關(guān)聯(lián)對整體變形進(jìn)行補(bǔ)償，建立了慮及結(jié)構(gòu)變形的刀位補(bǔ)償模型。在此基礎(chǔ)上，建立了加工中變形的誤差模型，并基于在機(jī)測量與加工數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)預(yù)測、補(bǔ)償量求取和補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)生成。對某型號火箭燃料貯箱進(jìn)行了測量加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所生成的補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)能夠適應(yīng)實(shí)際零件變形狀態(tài)，保證零件剩余壁厚精度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文所研究方法的有效性。

大型薄壁筒件；數(shù)字化減薄加工；變形補(bǔ)償；在機(jī)測量；壁厚控制

1 引言

大型薄壁筒件是我國國防和航空航天領(lǐng)域內(nèi)一類重要的結(jié)構(gòu)件，為有效減重并保證足夠的強(qiáng)度，需基于在機(jī)測量進(jìn)行等壁厚或變壁厚的加工減薄，我們稱其為數(shù)字化減薄加工。然而，該類零件的毛坯制造、裝夾、自重和切削加工等均會引起薄壁件的變形問題，從而導(dǎo)致零件的剩余壁厚精度難以控制。

針對加工變形控制，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，可分為四種方式：第一種為離線預(yù)測，Wang等提出了一種預(yù)測殘余應(yīng)力引起加工變形的解析模型；Li等提出了一種考慮雙軸殘余應(yīng)力的半解析模型預(yù)測加工變形。第二種為在線測量直接補(bǔ)償，Choi等提出了一種刀具偏轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法；Liu等提出了一種基于動(dòng)態(tài)特征的實(shí)時(shí)變形補(bǔ)償方法。第三種為在機(jī)測量間接補(bǔ)償，Lo等提出了一種軟件補(bǔ)償重復(fù)加工過程中輪廓誤差的方法；Cho等提出了基于多項(xiàng)式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和在機(jī)測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的綜合加工誤差補(bǔ)償方法。第四種為設(shè)備及工藝改進(jìn)，馮憲冬等研制了一套大型壁板銑削工裝；許軍鋒等針對薄壁液壓缸數(shù)控加工優(yōu)化了工裝和加工工藝參數(shù)。以上研究工作大多集中于單誤差源的建模、誤差實(shí)測補(bǔ)償和工藝裝備的優(yōu)化等，缺乏面向壁厚控制的多源誤差的分析和補(bǔ)償方法的研究。

面向大型薄壁筒件數(shù)字化減薄加工，需有效利用在機(jī)測量的數(shù)字化基礎(chǔ)，綜合考慮影響壁厚精度的多誤差源并進(jìn)行加工變形補(bǔ)償，以生成適應(yīng)于零件變形狀態(tài)的補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)。為此，本文面向大型薄壁筒件數(shù)字化減薄加工，研究一種加工變形自適應(yīng)補(bǔ)償方法，以解決其剩余壁厚精度控制難題。

2 慮及結(jié)構(gòu)變形的刀位補(bǔ)償建模

圖1 特征點(diǎn)映射示意圖

面向壁厚需求，可以將加工誤差歸結(jié)為變形問題，并拆解為整體變形和加工中的變形。通過整體變形補(bǔ)償，可以建立如下刀位補(bǔ)償模型：

3 基于在機(jī)測量的刀位點(diǎn)補(bǔ)償

加工中的變形由整個(gè)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)、校準(zhǔn)誤差和刀具磨損等引起。若零件僅經(jīng)整體變形補(bǔ)償加工，可認(rèn)為壁厚誤差反映為加工中的變形。然而這部分誤差僅在加工中存在，僅能在加工后測得。為此，基于多輪在機(jī)測量和加工過程，采用整體變形補(bǔ)償加工，得到多輪加工中變形數(shù)據(jù)，能夠?qū)罄m(xù)加工中的變形進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償。

3.1 加工中變形的誤差模型

圖2 某點(diǎn)加工中變形示意圖

3.2 加工中變形的參數(shù)預(yù)測

切削柔度系數(shù)與零件的剩余壁厚密切相關(guān)，可將切削柔度系數(shù)表示為零件剩余壁厚的函數(shù)。基于實(shí)際切削加工中的數(shù)據(jù)，采用外插值方法，能夠預(yù)測后續(xù)加工中的切削柔度系數(shù)。

根據(jù)式（4）、式（5）、式（8），可推出每輪切削加工的切削柔度系數(shù)計(jì)算公式：

3.3 面向預(yù)期壁厚的補(bǔ)償量計(jì)算

圖3 加工中誤差補(bǔ)償示意圖

為使下一輪實(shí)際加工壁厚與理論加工壁厚相等，應(yīng)保證補(bǔ)償后的加工過程誤差為零：

其中，需保證分母不為零，柔度引起的變形量和施加的補(bǔ)償量抵消，無法進(jìn)行補(bǔ)償加工，這種情況在實(shí)際零件加工中一般不會存在。

3.4 補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)生成

圖4 刀位點(diǎn)補(bǔ)償實(shí)施示意圖

4 測量加工實(shí)驗(yàn)

對某型號變壁厚火箭燃料貯箱進(jìn)行測量加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文所提方法的有效性，零件剩余壁厚精度要求為±0.15mm。

對零件采用三輪測量加工過程。前兩輪采用整體變形補(bǔ)償方法，最終輪加工補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)。第三輪加工采用整體變形補(bǔ)償和加工中變形補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)，滿足最終零件剩余壁厚精度。

對毛坯進(jìn)行了外廓和壁厚測量，并進(jìn)行了前兩輪測量加工。基于前兩輪測量加工數(shù)據(jù)，對第三輪刀位點(diǎn)補(bǔ)償，得到補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)。圖5所示為第三輪加工的補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)云圖。

圖5 第三輪加工的補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)云圖

圖6a所示為毛坯外廓誤差分布圖。圖6b所示為毛坯壁厚誤差分布圖。毛坯測量顯示：零件外廓誤差達(dá)2mm，壁厚誤差達(dá)0.26mm，理論刀位點(diǎn)無法加工。圖6c所示為零件加工后的壁厚誤差分布圖。

圖6 加工前后零件誤差狀態(tài)

圖7 實(shí)際零件加工現(xiàn)場

圖7a和圖7b分別為加工中的零件和加工后的零件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)能夠適應(yīng)零件整體變形和加工中的變形，零件實(shí)際加工后的壁厚精度保證為-0.07～+0.05mm，滿足了該型號火箭燃料貯箱的剩余壁厚精度要求。

5 結(jié)束語

本文面向大型薄壁筒件數(shù)字化減薄加工，分析了影響壁厚精度的多源誤差，并將其歸結(jié)為整體變形和加工中的變形。基于尺寸關(guān)聯(lián)和多輪在機(jī)測量過程，對零件整體變形和加工中變形進(jìn)行補(bǔ)償，得到了適應(yīng)于零件變形狀態(tài)的補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)。

對某型號火箭燃料貯箱進(jìn)行了測量加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：所生成的補(bǔ)償?shù)段稽c(diǎn)能夠適應(yīng)實(shí)際零件的變形狀態(tài)，面向毛坯外廓偏差大、壁厚超差和剛度差的情況，保證了零件最終剩余壁厚精度，驗(yàn)證了本文所研究方法的有效性。

1 Wang Zibiao, Sui Jianfei, Liu Liangbao, et al. An analytical model to predict the machining deformation of frame parts caused by residual stress[J]. Journal of Materials Processing Tech., 2019, 274: 116282

2 Li Bianhong, Deng Hongbin, Hui David, et al. Investigation on the influence of the equivalent bending stiffness of the thin-walled parts on the machining deformation[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 101(5): 1171～1182

3 Yang M Y, Choi J G. A Tool Deflection Compensation System for End Milling Accuracy Improvement[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, 120(2): 222～229

4 Liu Changqing, Li Yingguang, Shen Weiming. A real time machining error compensation method based on dynamic features for cutting force induced elastic deformation in flank milling[J]. Machining Science and Technology, 2018, 22(5): 1～21

5 Lo C C, Hsiao C Y. A method of tool path compensation for repeated machining process[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998, 38(3): 205～213

6 Cho M W, Kim G H, Seo T I, et al. Integrated machining error compensation method using OMM data and modified PNN algorithm[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12): 1417～1427

7 馮憲冬，畢煌圣，李世鵬，等. 一種超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)，2018(2)：40～43，48

8 許軍鋒，申國慶，曹媛媛，等. 大型薄壁液壓缸筒數(shù)控加工技術(shù)[J]. 航天制造技術(shù)，2019(3)：50～52，55

A Deformation Adaptive Compensation Method for Digital Thinning of Large Thin-walled Cylinder Parts

Wang ChenglongHe YonghaiSun JieLiu HaiboWang Yongqing

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024; 2. Xi’an Aerospace Power Machinery Co., Ltd., Xi’an 710025)

Aiming at the problem of accurate control of residual wall thickness of large thin-walled cylinder parts, this paper presents an adaptive compensation method for machining deformation. This paper comprehensively considers the holistic deformation and the elastic deformation of the tool. The holistic deformation is compensated based on the associated size, and the tool compensation model considering the structural deformation is established. Then, the error model of machining deformation is established. Then, based on the on-machine measurement and machining data, the deformation parameters, compensation quantity and the compensated tool pointsare acquired in turn. The experiment of measuring and processing the rocket fuel tank of a certain type is carried out. The experiment results show that the compensated tool points can adapt to the actual deformation state of the part and ensure the accuracy requirement of the residual wall thickness, which verifies the effectiveness of the method proposed in this paper.

large thin-walled cylinder parts；digital thinning processing；deformation compensation；on-machine measurement；control of wall thickness

TH161

A

國家科技重大專項(xiàng)（2019ZX04022001）。

王成龍（1995），碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：薄壁件測量加工一體化。

2021-05-04