馬明陽，周 鑫，高 陽

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

航空發(fā)動機機匣零件結構復雜、加工精度要求高，是典型的大型薄壁難加工零件，其加工變形問題一直是航空發(fā)動機制造的技術難點之一。目前，機匣零件加工工藝方案制定依賴工藝人員的工程經(jīng)驗，編制的數(shù)控程序僅進行幾何仿真驗證，沒有考慮殘余應力對零件加工變形的影響。已有研究表明殘余應力是引發(fā)零件加工變形的重要因素之一，而隨著切削過程中材料去除，原有的應力狀態(tài)將被破壞，加工過程產(chǎn)生的切削力和切削熱將對殘余應力分布帶來新的變化，僅通過工裝夾具難以對零件加工變形進行有效控制。

零件殘余應力的存在是引起加工變形的主要因素之一，目前殘余應力的研究主要集中在殘余應力的釋放和重新分布上，國內(nèi)外最常用于控制并消除殘余應力的方法包括恒溫時效法、振動時效法、深冷處理法等，并未考慮通過控制切削過程實現(xiàn)殘余應力的控制。在切削過程中，零件加工表面隨著材料去除，必然引入新的殘余應力，由于航空發(fā)動機機匣零件的薄壁、弱剛性等特性，產(chǎn)生的殘余應力必然引發(fā)不可控的加工變形。因此，通過數(shù)控程序分析優(yōu)化，約束機匣零件加工過程切削力的變化，是控制機匣零件表面應力應變場的重要工藝方法。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

長期以來，國內(nèi)航空發(fā)動機型號研制工作采用了基于經(jīng)驗的、實物試制的技術驗證方式，技術驗證工作完全依賴型號研制工作進行，驗證周期長、成本高，造成型號研制能力和研制周期嚴重滯后，研發(fā)工作反反復復。為有效解決航空發(fā)動機型號研制和批產(chǎn)產(chǎn)品試制周期長、試驗成本高以及加工制造過程中的變形等問題，引入工藝仿真技術手段，對零件的數(shù)控加工過程進行仿真分析，

及時解決零件制造問題。

物理仿真技術已成為當今制造科學的前沿技術之一，受到企業(yè)界和學術界的廣泛重視。不論是針對單點工藝的切削狀態(tài)仿真，還是針對連續(xù)工藝的制造過程仿真，都已經(jīng)開始研究，用于提升制造過程的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外主流的分析方法有兩種，第一種是采用有限元分析的方法：金秋等針對薄壁件的銑削加工過程，建立了考慮瞬態(tài)銑削力的工件變形有限元模型；Kaye R等通過有限元分析的方法分析飛機機翼零件的加工剛性，提供剛性評價結果，為切削參數(shù)選取提供依據(jù)。另一種是利用目前已有的優(yōu)化算法，通過建立裝夾-零件-切削參數(shù)之間的關系分析零件剛性。Harman A B通過切削實驗構建零件尺寸與剛性的關系，利用多種約束條件，分析了飛機接頭零件的剛性。

圍繞切削加工過程物理仿真，國內(nèi)西北工業(yè)大學、華中科技大學、山東大學、大連理工大學及北京航空航天大學等院校也開展了大量研究工作。西北工業(yè)大學萬敏、張衛(wèi)紅等率先考慮了銑刀底刃切削作用，首次提出了三元切削力模型，有效地提高了切削力仿真預測準確度，并且被國內(nèi)外學者廣泛應用。國內(nèi)還開展了大量的機加工表面殘余應力研究。覃孟揚研究了切削刃鈍圓對殘余應力的影響，結果表明鈍圓半徑越大，殘余壓應力越大，應力層越厚。孫雅洲在切削加工的有限元建模上做了大量實質性的工作。國內(nèi)外研究學者在切削力產(chǎn)生機理上已經(jīng)取得重大突破，先進物理仿真技術能夠仿真出切削過程產(chǎn)生的切削力，但是缺乏有效的切削力控制手段。

3 參數(shù)優(yōu)化及應力控制技術應用

3.1 參數(shù)優(yōu)化及應力控制技術路線

通過先進的物理仿真技術手段，從切削力入手開展仿真分析，依據(jù)仿真結果優(yōu)化數(shù)控程序，控制機加過程的切削力變化，通過基于均衡切削力的數(shù)控程序優(yōu)化，控制零件表面應力應變場的分布狀態(tài)，進而控制零件表面振紋的產(chǎn)生、降低表面應力集中現(xiàn)象、提升零件表面加工質量。具體步驟如下：

1）導入零件的CAD模型，導入G代碼和APT-Code文件，模型尺寸必須保證與設計尺寸一致。

2）設置機床信息，重點包含行程極限、轉速及進給極限、主軸功率等信息。

3）設置刀具信息，設置菱形刀片、槽刀、成型刀等刀具類型的具體刀具參數(shù)，且刀具參數(shù)與實際使用刀具參數(shù)一致。

4）根據(jù)導入的工件模型、設置的刀具參數(shù)及導入的數(shù)控程序進行切削力仿真，支持不同切削方式的切削力仿真。

切削力仿真是指根據(jù)現(xiàn)有切削材料數(shù)據(jù)庫，通過模擬刀具與材料的實時有效切削面積，計算切削過程中任意時間產(chǎn)生的向、向、向三個方向的切削力()、()、()，并通過計算得到加工過程中產(chǎn)生的切向力()、徑向力()、軸向力()及合力F()。

5）仿真數(shù)據(jù)分析，記錄切削過程中產(chǎn)生的切削力；

6）根據(jù)約束條件判斷切削過程穩(wěn)定性。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計算出的平均切削力設定切削力的上限及下限，當整個仿真結果中超出切削力上下限的區(qū)間達到10%時，即認為切削狀態(tài)不穩(wěn)定為

當切削過程不穩(wěn)定時，有兩種解決方案。

方案一：根據(jù)仿真結果分別調整切削參數(shù)、走刀路徑、刀具擺角等參數(shù)，重新開展切削力仿真分析。

7）根據(jù)優(yōu)化結果，按照需求輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序。

8）應用優(yōu)化后的數(shù)控程序進行加工驗證。

參數(shù)優(yōu)化及應力控制技術總體思路如圖1所示。

圖1 參數(shù)優(yōu)化及應力控制技術總體思路

3.2 切削力仿真分析及優(yōu)化

（1）殘余應力檢測

對零件切削前的初始應力進行檢測，每個零件上端面檢測8點、下端面檢測8點、周向檢測4點，四個零件檢測位置相同。通過測量結果可以發(fā)現(xiàn)，零件改進前表面殘余應力的大小、位置均不一樣，應力波動較大，零件1應力極值相差525 MPa，零件2應力極值相差652 MPa，零件3應力極值相差746 MPa，零件4應力極值相差963 MPa。

（2）切削力仿真環(huán)境設置

將零件模型導入到仿真軟件中，將編制的數(shù)控程序導入到軟件中，導入的數(shù)控程序為G代碼，零件的模型及截面輪廓圖如圖2所示。

圖2 零件模型及截面輪廓圖

機床及刀具信息配置，如圖3所示。在仿真軟件的G-code機床配置界面中進行相應的參數(shù)配置。其中，Programming_Type（編程模式）中選擇Radial_Programming（半徑編程）；Motion（機床運動模式）中快速進給、直線插補、左圓弧、右圓弧分別設置成G00、G01、G02、G03；Tool_Nose_Radius_Compensation（ 刀具半徑補償）Left（左刀補）設置成G41，Right（右刀補）設置成G42；其余的參數(shù)可為默認值。

圖3 機床及刀具信息配置

設置刀具信息，刀具類型選擇車削刀具，刀具參數(shù)按照刀具實際尺寸進行設置：刀片厚度4.762 mm，最大切深10 mm，兩側刀刃半徑2.38 mm，刀刃傾角2°。

（3）切削力仿真

圖4 切削力仿真示意圖

（4）數(shù)控程序優(yōu)化

對數(shù)控程序進行手工分段，進行逐段優(yōu)化，優(yōu)化后的數(shù)控程序重新進行切削力仿真，仿真結果對比示意圖如圖5所示。程序優(yōu)化后每段刀軌直線切削末端切削量較大的區(qū)域進給率降低到原來的1/2左右，空切削區(qū)域進給率增大到原來的10倍，總體加工時間由2 385 s減少到2 240 s，切削力降低無突變，在保證加工質量的同時提高加工效率。輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序，程序對比如圖6所示，應用優(yōu)化的數(shù)控程序進行加工驗證。

圖5 參數(shù)優(yōu)化示意圖

圖6 數(shù)控程序對比示意圖

3.3 零件加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計

將加工后的零件上下端面的表面應力再一次進行檢測，應用原始數(shù)控程序進行加工得到的表面應力場，以及應用優(yōu)化后數(shù)控程序進行加工得到的表面應力場。應用原始數(shù)控程序，零件4端面表面最大應力能達到1 226 MPa，而最小應力僅263 MPa，應力相差963 MPa。應用優(yōu)化后的數(shù)控程序進行加工，零件3表面應力最大值684 MPa，最小值616 MPa，應力相差68 MPa，零件4表面最大應力值700 MPa，最小值649 MPa，應力相差51 MPa。優(yōu)化前后的數(shù)控程序加工后檢測技術條件統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1，改進前零件終檢端面圓度最大0.29 mm，采用優(yōu)化后的數(shù)控程序進行現(xiàn)場加工驗證，零件端面圓度最大值僅0.057 mm，準確度提升80.34%，滿足圓度0.2 mm的技術條件。改進前零件內(nèi)外型面同軸度0.465 mm，采用優(yōu)化后數(shù)控程序進行現(xiàn)場加工驗證，零件同軸度為0.171 mm，同軸度提升63.22%，已滿足0.2 mm的技術條件。

表1 零件最終狀態(tài)檢驗數(shù)據(jù)對比 （單位：mm）

經(jīng)過加工驗證，應用基于恒定切削力的表面應力應變場控制方法，零件加工后的表面殘余應力集中現(xiàn)象明顯下降，且零件變形得到有效控制。

4 結束語

以航空發(fā)動機某機匣零件加工過程控制為例，應用面向航空發(fā)動機復雜機匣零件表面數(shù)控加工的參數(shù)優(yōu)化及應力控制方法，有效改善零件表面應力分布，在提升零件加工質量的前提下提高加工效率。按照優(yōu)化程序進行加工，加工振紋明顯降低，零件表面應力集中現(xiàn)象明顯改善，多個零件加工后結果趨同，自由狀態(tài)下應力釋放引發(fā)的變形得到有效控制。

1）零件端面表面最大應力從1 226 MPa，降低到700.19 MPa，有效降低零件表面殘余應力。

2）零件殘余應力差值從963 MPa，降低到68 MPa，有效消除零件表面殘余應力的集中現(xiàn)象。

3）零件終檢端面圓度從最大0.29 mm，降低到0.057 mm，準確度提升80.34%，滿足圓度0.2 mm的技術條件。

4）零件內(nèi)外型面同軸度從0.465 mm，降低到0.171mm，同軸度提升63.22%，滿足0.2mm的技術條件要求。