数控加工变形控制.ppt

数控加工变形控制策略 目录 1引言2影响数控加工变形原因3数控加工变形控制关键技术4工件残余应力稳定化处理5增强工件加工过程刚性6数控编程及切削参数优化技术7装夹系统优化技术8高速切削技术9物理仿真技术10加工后校形技术 1 引言 数控加工技术已经成为航空航天产品制造的关键技术之一 航空航天产品中有大量金属薄壁件 并向重量轻 精度高 结构复杂方向发展 例如飞机壁板 肋 梁 框 缘条 长绗以及座舱盖骨架等 而金属薄壁件的加工中存在装夹困难 容易变形 加工精度难以保证等问题 故金属薄壁件的加工工艺技术成为难点 如何使其加工工艺变得简单化 较好地控制变形 并高效率 高质量 低成本完成加工 成为数控加工工艺技术发展的一个重点 影响数控加工变形原因分析 2 影响数控加工变形原因 数控编程及切削参数优化技术 装夹系统优化技术 增强工件加工过程刚性技术 物理仿真与变形误差补偿技术 数控高速加工技术 数控加工变形控制关键技术 工件残余应力稳定化处理技术 加工后校形技术 3 数控加工变形控制关键技术 4 2坯料冷镦及校平工艺如果翼类件采用的是铝合金材料锻件坯块 采用独特的 冷镦 工艺 即锻打锻件坯块的两面 使其坯块在厚度方向上减薄5 8 使锻件毛坯产生预紧压应力 对减少工件加工变形效果明显 如果采用的是板料 经过下料加工后难免产生变形 可将板料放在平的橡胶或木墩上 用胶皮鎯头进行局部校形 或用橡胶板对板料反复翻面进行拍打 这些方法对于翼类件加工前毛坯的准备十分必要 4 3振动时效振动时效在国外称VSR VibratoryStressRelief 振动时效对于消除 均化和减小金属构件的残余应力 提高工件抗动载荷变形能力 稳定构件尺寸精度有比较好的效果 目前针对重量较轻的薄壁零件 多采用智能型多级振动时效工艺和超声振动工艺 采用铝合金VSR多级振动时效消除应力工艺技术 匀化和消除铸铝件材料内应力和切削加工产生的内应力 稳定工件尺寸精度 缩短加工周期 振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力 当附加动应力与残余应力叠加后 达到或超过材料的屈服极限时 工件发生微观或宏观塑性变形 从而降低和均化工件内部的残余应力 并使其尺寸精度达到稳定 多级振动时效技术是在传统振动时效技术的基础上 自动捕捉工件3 5个亚共振频率 更彻底消除和均化工件内部残余应力 特别是对重量较轻的工件 多级振动时效技术尤其适合 4 4人工时效与自然时效消除应力有自然时效 热时效 振动时效 静态过载时效 爆炸时效 超声冲击振动时效 循环加载时效等 虽然都有优缺点 但都在一定程度上达到消除和均化的目的 工件变形问题可以通过切削去大部分加工余量后 再进行人工时效处理或较长时间的自然时效 均可有效的解决 因此 只要注意工艺安排及时效处理即可解决 批生产时可利用工件加工的轮回时间间隙 进行自然时效 自然时效最短时间一般不得少于72小时 4 5冷热循环时效处理冷热循环时效处理在小中型铝材料薄壁零件加工应用比较广泛 特别是摄式 50 C 90 C的深冷冰柜应用 使得其工艺比在专用容器 保温 隔热 里加入一定量的液氮进行深冷处理 更具有实用性和可操作性 如下图是某铝合金的薄壁件采用的冷热循环时效处理参数 结果表明高低温循环处理对消除铝合金件的残余应力 改善材料的切削加工性能 减少切削加工变形有明显的效果 石膏填料 低熔点合金 工艺凸台 胎具工装 增强工件刚性 5 增强工件加工过程刚性 增强零件刚性和紧固零件方法有多种 具体有 1 浇灌石腊 2 浇灌石膏 3 应用低熔合金 此外还应用明矾 低熔塑料 在其它零件加工中 还有用硫磺 松香 牙托粉等材料的情况 俄罗斯近几年使用一种尿素树脂聚合物 作为增强零件刚性的材料 该聚合物是由96 的尿素树脂和4 的硫酸钾组成 熔融温度为134 140 C 固化迅速 刚性好 粘结力强 溶解速度快 价格便宜 可局部或整体地增强非刚性零件的刚性 加工完毕后 把零件加热或放入水中 聚合物可自行与零件脱开 5 1工艺凸台应用 在大型复杂结构件的数控加工中 应广泛采用工艺凸台装夹策略 并根据产品工艺特点 设计不同类型的装夹工艺凸台 工艺搭子 和辅助支撑 并利用辅助支撑强化切削点的刚性以减少因弹性变形而引起的精度误差 使工件加工具有良好的开敞性 无须考虑刀具和余料的碰撞 排屑更加方便 也有利于应力释放 5 2石膏填料在薄壁件加工中应用 石膏作为填料增强薄壁结构件工艺刚性 是一种非常经济实用的方法 其要点是要在加工时 设计工艺腔体或人为围成腔体 一次将一个面加工成型 浇上石膏 经快速固化后 修平基准即可使用 目前石膏填料工艺方法已在航空大型薄壁结构件中大量使用 填石膏的工件表面必须涂刷防锈油以防锈蚀 在填石膏的工件表面尽可能铺一层油封纸 或塑料薄膜 另外 由于石膏凝固时产生热量 对于深腔体工件必须分几次填入石膏 5 3低熔点合金应用 采用低熔点合金 LowMeltingAlloy 类似铸造原理 将低熔点填料填充在工件腔体或人为设计的工艺腔体之中 使零件成为实心刚性体 由于零件刚性提高 同时可以提供了装夹面和定位基准面 装夹及找正方便 使得零件的加工工艺性大大改善 加工精度提高 加工完毕 加热使低熔点合金或低熔点填料熔化 倒出 回收即可 填料可重复使用 由于加热温度低 不会影响零件的材料状态 也不会引起零件的变形 不损伤零件 最终得到高精度的复杂薄壁零件 低熔点合金配制 低熔点合金的熔化温度可配置成47 C 262 C 可通过几种常用合金元素不同配比获得 铋 Bi 铅 Pb 锡 Sn 铟 In 锑 Sb 等几种金属元素是比较理想的低熔点合金组分 锡熔点231 9 C 铅熔点为327 4 C 锑熔点为630 5 C 铟熔点为156 6 C 具有热缩冷胀性质 但价高 铋熔点为271 3 C 密度为9 75 无毒无害 并具有热缩冷胀特性 铋同铅 锡 锑 铟等金属组成的二元 三元 四元 五元合金 改变这些金属在合金中所占的百分比 就可获得47 C 262 C熔点和不同物理性质的合金 因共晶合金中的晶格发生畸变 就不像原始的那么稳定了 要破坏它们之间的化学键 需要的能量就很少 即熔点会降低 铋基合金低熔点合金在实用性 经济性较好 同时利用冷凝时不收缩的特性 可作为填料加工高精度薄壁工件 以铋 Bi 金属为主要成分 逐渐加入铅 Pb 锡 Sn 锑 Sb 等几种金属元素 并不断改变含量 得到所需要的低熔点合金 例 铋 Bi 41 铅 Pb 30 锡 Sn 20 锑 Sb 9 进行配比 得到了熔点为70 C的合金 实物如图1所示 该铋基合金低熔点共晶合金 密度为9 4g cm3 该合金很容易铸型 而且一旦凝固即可使用 用热水 热油浸泡或低温烘烤 可很容易将其从型模 铸模 固定夹具或零件中清除并回收 可多次使用 低熔点合金实物及加热方法如图所示 实物及加热方法图 低熔点合金在薄壁腔体加工中应用 典型薄壁盒体零件图 某典型薄壁腔体零件 腹板和侧壁壁厚均为0 4mm 0 5mm材料 铝合金 铝盒子加工采用平口钳夹紧 铣完上腔体和四周外侧面后 翻面铣下腔体和四周外侧面 该工艺要将低熔点合金分别作为腔体的填料 及保护精加工后的薄壁面夹持面填料两种用途 工艺流程如下 下料 飞铣六面 铣上腔体 浇铸低熔点合金 铣上腔体四周0 5厚外侧 卸下工件 用硬纸围四侧面 浇铸低熔点合金形成夹持面 铣下腔体 保证底面0 5厚 浇铸低熔点合金 铣下腔体四周0 4厚外侧 熔化低熔点合金 成品 铝盒子零件加工时采用低熔点合金分别作为腔体的填料 不必卸下工件 直接浇注 再接着加工 以及用低熔点合金作为填料保护精加工后的薄壁夹持面示意图和实物 低熔点合金填料图 低熔点合金特别适于在加工时夹持不规则和易损形状工件的部份 低熔点合金的机械性能足以满足定位和夹持操作时的刚性要求和控制 可进行强力压紧和夹紧 很容易进行切削加工 并作为转换工艺基准用 其使用的低温可保证在凝固和熔解时的热畸变最小 基本上是冷热变形很小 所以作为空心形状的临时填充物 对保持工件的尺寸精度比较理想 熔化低熔点合金图 实际加工结果 上 下腔体侧壁壁厚差为0 025mm上 下腔体之间的0 5mm腹板厚度非常均匀 壁厚差为0 030mm 加工质量比较理想 熔化低熔点合金后的工件实物图 6 数控编程及切削参数优化技术 在数控加工中 由于切削参数的选择不当导致切削力过大 刀具磨损严重 零件表面残余应力增加 加工质量下降等都会增加加工成本 降低数控加工的效率 因此数控加工切削参数的合理和优化选择是非常重要的 目前关于切削参数优化已经提出了多种算法 其中基于生物进化理论的基因算法 可用于多参数 多约束条件和多目标的优化 可进行全局的探索优化 用基因算法优化切削参数的有效性已在多个报告的实例中得到验证 计算采用不同的切削速度 切削量 进给量下的残余应力及变形情况 从中得到各切削参数对变形的影响 以选择优化切削参数 在达到加工精度的前提下尽量提高加工效率 采用控制变形的加工工艺 从刀具 切削参数 走刀路径的选择及程序的编制 都不同于传统的加工 确保薄壁类零件的加工质量 同时必须简化生产工序使绝大多数工作都集中在数控工序上完成 数控加工常见工艺问题的处理 顺逆铣 凹 凸角加工 陡壁加工 分层加工 进退刀控制 对称加工 降低切削力 减少表面应力集中 利用刀具的合理的材料选择 刀具角度的优化 切削用量的优化 切削液的选择及使用等方法降低切削力 对于数控机床 可利用主轴功率的使用效率来初步确定切削力大小 6 1设置应力释放槽 应力释放缺口技术是经过大量试验验证 控制变形的有效方法 应力释放缺口的设置一般在零件加工的最开始进行 不同结构的零件 设置方法不同 西飞公司加工某壁板零件设置应力释放槽示图 6 2层优先加工策略 层优先加工策略能够较好的控制加工变形 其基本方法是 先按照3 4 2 5 1 6的顺序加工所有槽腔的第一层 再按照同样的顺序加工第二层 一直到最终要求 这样变形控制效果比较理想 而传统的槽腔加工一般采取顺序加工的方式 效果差 6 3拐角加工技术 在拐角处 建议走带圆弧的刀具路线 并且其半径应大于刀具的有效半径 可以有效地避免在工件上撞出不必要的内凹 同时 必须较好运用CAM软件的拐角降速功能 6 4陡峭壁加工技术 侧壁受力产生变形和回弹 发生过切和啃刀现象 侧壁刚性增强 变形小 避免了过切现象 6 5错位层加工技术 对于薄壁件的侧壁加工 在层优先原则基础上 目前流行一种错位层切数控加工策略 使得直壁刚性增强 变形大大减小 避免了过切现象 6 6深槽加工策略 深槽加工是复杂结构件常见的加工难题之一 为了保证加工效率及质量 首先必须采用变换刀长加工的策略 按深度划分若干层 刀长递增 其次刀具类型尽量选用具有良好刚性的锥柄刀具 另外 切削策略尽量采用向外环切形式 侧面采用阶梯式余量 每层切削深度随着槽深增加而递减 6 7数控插铣加工技术 插铣加工是在数控切削过程中 刀具只有沿主轴方向进给运动 以底刃参与切削的加工方式 在进行深槽腔加工 窄型腔加工 转角加工时 插铣加工提供了高稳定性的切削条件 振动 让刀等现象大大降低 避免了窝刀 零件表面质量明显提高 加工效率大大提高 采取数控补偿措施 根据实际加工得到的零件的加工变形情况和经验 设计数控补偿程序 让刀具在原有的轨迹中考虑零件变形程度附加一个偏移量 对加工变形进行数控补偿 以达到加工精度要求 6 8数控补偿策略 例子 挂架 7装夹系统优化技术 装夹方案改进主要内容是 压板的数目 位置和夹紧力的大小 定位元件的位置 结构等 任意因素变化会引起有限元分析模型约束的变化 从而引起零件变形的变化 根据计算结果提出相应的改进措施 如改变压板数目 位置 工件定位孔的位置 数目 夹紧力大小等 7装夹系统优化技术 为了控制加工变形 需要选择合理的装夹方法 减少夹紧力对变形的影响 装夹方案改进主要内容是 压板的数目 位置和夹紧力的大小 定位元件的位置 结构等 任意因素变化会引起有限元分析模型约束的变化 从而引起零件变形的变化 根据计算结果提出相应的改进措施 如改变压板数目 位置 工件定位孔的位置 数目 夹紧力大小等 以下方法可供参考 通用压板 压板的数量和作用点分布数量是主要研究内容 软爪 用于夹持轴外圆加工内型面时 通用磁力吸盘 对于导磁性材料 专用胎具 真空吸盘夹具 定位心轴 用于轴类薄壁件以内孔定位 加工外型面时 常采用一夹一顶或一夹一拉 避免了径向变形 真空夹具应用 在数控机床加工航空薄壁零部件时使用真空平台 由于加工过程中由于工件一直被真空吸紧 具有装夹不变形 工件尺寸容易保证 薄壁无颤纹 无接刀痕等好处 并且夹持力均匀可调 吸附力强 工件无夹痕 易装卸 特别适合于航空薄壁槽型件 平板类零件 由于效果显著 目前真空平台已广泛应用于航空薄壁零部件批生产加工 真空夹具结构示意图 减小切削力 振动切削加工 振动切削是一种新型的非传统加工的特种切削加工方法 按振动频率可分为低频振动切削 20 150Hz 和超声振动切削 15 35kHz 它是给刀具 或工件 以适当的方向 一定的频率和振幅的振动 以改善其切削功效的脉冲切削方法 与普通切削相比 振动切削具有切削力小 切削热降低 工件表面质量提高 精度提高 切屑处理容易 刀具耐用度提高 加工稳定 生产率高等优点 高速加工技术已受到越来越多的重视 高速切削条件下 加工系统原有的一些特性发生变化 切削力降低 尤其是径向切削力的大幅度减小 特别有利于航空航天薄壁件的高速精密加工 大部分切削热被切屑飞速带走 零件可基本保持冷态 因而特别适用于加工容易热变形的零件 零件表面的残余应力非常小 机械和热应力变形都减小 8高速加工技术 高速加工技术的体系结构 高速切削的优越性 工件进给速度亦相应提高5 10倍 大大缩短了加工时间和空行程的时间 效率比10年前提高一倍多 高速切削时 机床的激振频率相当高 远离了工艺系统的低阶固有频率 故工作平稳 振动小 加工精度和表面质量高 当切削速度达到一定数值时 切削力可减小30 尤其是径向切削力的大幅减小 特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工 单件的工资 机床费用大幅下降 开发 如在高速 大进给量和小切削深度的条件下 可完成HRC62的淬硬钢的加工 不仅效率高出电加工3 6倍 且可获得很高的表面质量 Ra0 4 干切削与硬切削新工艺 提高生产效率 降低制造成本 缩短新品开发周期 提高产品质量 高速加工 切削力小 高速切削的优越性 提高生产效率 降低制造成本 干切削与硬切削新工艺 提高生产效率 降低制造成本 缩短新品开发周期 切削力小 高速切削加工薄壁件相对传统加工具有显著的优越性 切削力小 加工薄壁类零件时工件产生的让刀变形相应减小 易于保证零件的尺寸精度和形位精度 切削热对零件的影响减少 零件加工热变形小 这对于控制薄壁件的热变形非常有利 加工精度高 刀具切削的激励频率远离薄壁结构工艺系统的固有频率 保证了较好的加工状态 实现了平稳切削 保证了零件的精度和表面粗糙度 加工效率高 比常规加工高5 10倍 单位时间材料切除率可提高3 6倍 高速切削加工薄壁结构的优越性 采用螺旋线驱动方法编程 刀具进入材料尽可能采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行铣削 以保证恒定的切削条件 爬坡采用单向加工 而不采用 之 字加工 避免逆铣 减少刀具退出和重新进入材料的次数 维持刀具稳定的切削状态 保持切削厚度均匀 精加工时拐角等曲率变化和切深变化较大的部分要预先处理 使之留下与其他部分相同的余量 切削轨迹无突变 在刀轨转折处采用无尖角刀具轨迹 粗加工要重视形状的准确性 而不是简单的去除材料 保证后续工序加工余量均匀 余量和切削用量要与切削参数相结合 选用合理的切削参数 避免切削余量突变 余量大时 应降低F 采用分层切削 有凸台的部位先清根 避免刀具频繁碰撞凸台 有样条插补条件时 通过NURBS曲线编程 高速切削加工编程要点 9物理仿真技术 切削过程物理仿真主要结合加工刀具 被切削材料 加工工艺对实际切削加工的状况进行有限元分析及模拟计算 得出切削加工中的物理特征 如力 温度 以及被加工材料和刀具在切削过程中的受力变形 残余应力等数据 以进行装夹方案的改进和工艺程序的优化 目前数控加工行业比较有代表性的几何仿真软件有Cgtech公司的Vericut 法国SPRING公司的NCSIMUL 物理仿真软件有美国ThirdWaveSystems公司的AdvantEdge等 切削过程物理仿真与变形误差补偿技术包括高速切削机理研究 切削力建模 残余应力预测及切削路径和参数优化等 目前正在研究的4个方面 1 深入研究材料的高速切削机理 建立切削参数与切削力大小 工件加工表层残余应力分布状态等的定量关系 2 将切削力和残余应力大小信息输入至