薄壁件射流鏡像加工變形補(bǔ)償研究

徐忠蘭

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 精密制造工程系，江蘇 蘇州　215104)

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薄壁件射流鏡像加工變形補(bǔ)償研究

徐忠蘭

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 精密制造工程系，江蘇 蘇州215104)

摘要：低剛度薄壁件在切削加工過程中因切削力而容易產(chǎn)生切削變形和切削振動等尺寸誤差，文章對薄壁件在加工過程中受到的力進(jìn)行分析，并針對薄壁件在切削過程中因受切削力作用而產(chǎn)生尺寸誤差的現(xiàn)象，提出一種應(yīng)用水射流鏡像加工薄壁件的方法，以此減小薄壁件的尺寸誤差。最后，通過實驗驗證了水射流鏡像加工技術(shù)可有效的提高薄壁件的加工精度。

關(guān)鍵詞：薄壁件；變形；水射流；鏡像加工

0引言

隨著新世紀(jì)的來臨，航空航天領(lǐng)域的國際化競爭越來越激烈，我國空軍所面臨的局勢也更加復(fù)雜與尖銳。因此，需要設(shè)計和制造出更加優(yōu)異的現(xiàn)代化飛機(jī)，由于目前對于大型復(fù)雜的航空零部件的銑削量特別大，如F-22的583框，毛坯重2227kg，經(jīng)機(jī)械加工后，零件重122kg，去除率達(dá)到95%，并由于加工中各因素綜合作用使航空零部件加工后的質(zhì)量很難達(dá)到設(shè)計者的要求，這使得飛機(jī)等航空機(jī)械的壽命和可靠性大大降低。針對低剛度薄壁件加工中產(chǎn)生尺寸誤差的現(xiàn)象，國內(nèi)外專家和學(xué)者在這方面做了大量的研究。Tang[1]等人基于彈性力學(xué)小變形理論建立了薄壁件銑削加工過程中彈性讓刀變形的理論模型。Ratchev[2]建立低剛度零件的切削力與變形的模型，實現(xiàn)了薄壁件加工變形的精確預(yù)測。Wan[3]等基于基礎(chǔ)切削力建模方法及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的變密度思想，建立了薄壁件加工表面靜態(tài)誤差預(yù)測模型。Beizhi Li[4]等對切削加工過程中工件因材料的去除而引起殘余應(yīng)力的重新分配進(jìn)行研究,得出殘余應(yīng)力對工件尺寸誤差的影響以及通過優(yōu)化加工工藝可減小工件的尺寸誤差。Jitender K. Rai[5]等通過將有限元法(FEM)和實驗法相結(jié)合的方法,對薄壁件的變形進(jìn)行預(yù)測以及應(yīng)用實驗的方法對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗證。J. Loehe[6]等基于數(shù)值模擬薄壁件加工過程，得出可精準(zhǔn)預(yù)測薄壁件因切削力、切削穩(wěn)定而產(chǎn)生變形，可對實際過程中的實驗進(jìn)行指導(dǎo)。Weifang Chen[7]等認(rèn)為工件切削加工當(dāng)前層和待加工層之間具有一定耦合關(guān)系，即當(dāng)前層材料的去除會引起工件的變形，從而使得實際切削深度和名義切削深度不相同，然后通過建立數(shù)學(xué)模型需對多層加工的薄壁件變形進(jìn)行預(yù)測。

本文在深入研究造成薄壁件尺寸誤差的力學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出一種射流鏡像加工主動補(bǔ)償方法。該方法應(yīng)用鏡像加工原理并利用水射流的沖擊力來抵消加工中的切削力，因此來提高薄壁件的剛度，減小加工中的尺寸誤差。

1薄壁件加工受力模型

切削力是薄壁件產(chǎn)生變形和振動等尺寸誤差的主要因素，因此建立薄壁件切削加工中的受力模型非常重要，本文根據(jù)已有的相關(guān)文獻(xiàn)[8]分析建立薄壁件切削加工的受力模型，如圖1所示。

圖1　薄壁件三維切削加工模型

由圖1易知，引起薄壁件切削振動和變形的是Y方向的切削力Fy，Y方向的瞬時切削力和X、Z方向的瞬時切削力之間的關(guān)系為：

Fy(φ)=Ftsinφ-Frcosφ

(1)

其中，

(2)

kβ=2tanβ/D

(3)

式中，φ為刀具的齒位角；Φp為刀具的齒間角；j為刀具沿工件軸向切深積分。

在上圖中任意單元微小截面中在加工過程中受到的切向和徑向切削力為：

(4)

式中，Ktc、Krc、Kte、Kre分別為切向和徑向切削力相關(guān)系數(shù)；Z為刀具豎直方向的間距。

聯(lián)立上式等式，可得到沿刀具Y方向的切削力為：

2射流沖擊特性及結(jié)構(gòu)分布

本文將水射流應(yīng)用在薄壁件加工中，因此按射流分類其屬于非淹沒非自由的射流。水由泵等壓力源獲得初始能量，使其在射流系統(tǒng)中以一定速度流動，最后由噴嘴流出作用于工件，示意原理圖如圖2所示。

圖2　射流系統(tǒng)主要組成部分

2.1射流沖擊模型

射流以一定速度從噴嘴出口處流出撞擊于工件壁面，如圖3所示。水經(jīng)過壓力源獲得初始能量，使其在噴嘴入口處具有壓力p1和速度ν1，利用伯努利方程，并假設(shè)噴嘴入口和出口處軸線在同一水平線上，則可得到它們之間的關(guān)系式[9-11]：

(5)

式中， ρ1/ρ2分別為噴嘴前/后流體的密度，kg/m3；ν1/ν2分別為噴嘴入/出口流體的平均流速，m/s；p1/p2分別為噴嘴入出口流體的靜壓力，Mpa。

由流體動力學(xué)可知，噴嘴入口與出口間的液體流動連續(xù)性方程，單位時間通過噴嘴內(nèi)某截面的流量是相等的，則有:

ρ1·ν1·A1=ρ2·ν2·A2

(6)

式中，A1/A2為噴嘴入、出口截面面積，m2。

由于噴嘴為圓形結(jié)構(gòu)，則噴嘴入口和出口的圓形截面面積分別為:

(7)

式中，d1/d2分別為噴嘴入口/出口處的直徑，m。

聯(lián)立等式(5)~(7)，并假設(shè)射流流經(jīng)噴嘴內(nèi)外時的密度相同，ρ1=ρ2，可得流體的速度為：

(8)

(9)

圖3　射流沖擊原理示意圖

2.2射流結(jié)構(gòu)

射流通過噴嘴射出后呈現(xiàn)如圖4所示的結(jié)構(gòu)分布。

圖4　射流結(jié)構(gòu)示意圖

射流離開噴嘴后，按離噴嘴距離的遠(yuǎn)近可分為發(fā)展段、主流段以及初始段。初始段射流具有在該區(qū)域中截面任何位置處的液體的速度和離開噴嘴時具有的速度相同，即該區(qū)域的射流具有保持原有速度和壓力的特性，初始段之后的射流在運動過程中由于受到空氣阻力的作用，而使其速度逐漸減小。本文應(yīng)用射流在初始段所具有的流體不變性來柔性輔助支撐低剛度薄壁件削加工，根據(jù)相關(guān)專家的研究，總結(jié)出射流初始段lf的經(jīng)驗表達(dá)式為：

(10)

將相關(guān)系數(shù)代入上式中，得水射流初始段lf大約等于100d，即噴距在這范圍內(nèi)調(diào)整不改變射流具有的速度。

由DeHaller的相關(guān)研究知，非淹沒液固撞擊時，射流對壁面產(chǎn)生的沖擊力F為：

(11)

3射流鏡像加工設(shè)計

在十九世紀(jì)隨著科技的快速發(fā)展，人類賦予水射流強(qiáng)大的能量，水射流技術(shù)被正式應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活中。本文利用射流的沖擊特性在薄壁件另一側(cè)鏡像產(chǎn)生一個和切削力或主切削力峰量相位差180度的射流沖擊力，如圖5所示。薄壁件射流鏡像加工中刀具和噴頭分別位于工件的兩側(cè)，如圖6所示。噴嘴射出的水僅起到輔助支撐作用，不破壞工件的材料。根據(jù)上述水射流的結(jié)構(gòu)特性可知，噴嘴出口處的初始段中的核心區(qū)域中的射流具有速度和壓力恒定不變的特性，本文利用該特性可以控制噴嘴與工件之間的距離，即可實現(xiàn)射流沖擊力的精準(zhǔn)控制和有效的減小加工中噴嘴因移動而產(chǎn)生的干涉，從而抵消加工中的切削力，提高薄壁件的加工精度。

圖5　切削力和脈沖射流沖擊力波形示意圖

圖6　薄壁件射流鏡像加工實驗原理圖

4實驗

本文應(yīng)用7075鋁合金材料的薄壁件分別進(jìn)行有無射流支撐鏡像加工，首先將尺寸為70mm×3mm×30mm的薄壁件用夾具裝夾在UCp710加工中心的工作臺上，然后應(yīng)用銑刀直徑為6mm的圓柱平頭立銑刀對薄壁件進(jìn)行有無射流柔性支撐鏡像加工實驗，實驗參數(shù)如下：刀具轉(zhuǎn)速16000r/min，每齒切削量為0.05mm，切深為0.8mm；噴嘴直徑為2mm，噴距為80mm，壓力源提供的初始壓力為6Mpa。對有無射流支撐鏡像加工后的薄壁件采用三坐標(biāo)測量機(jī)測量薄壁件加工部位的尺寸誤差，并分別沿著薄壁件的頂端直線的長度方向中心線每隔5mm測量一個點，測量過程如圖7所示。

圖7　薄壁件測量現(xiàn)場

對上述獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，獲得薄壁件在有無射流柔性支撐鏡像加工時的尺寸誤差，誤差結(jié)果如圖8所示。

圖8　有無射流支撐薄壁件鏡像加工誤差對比圖

由圖8可明顯看出，無射流支撐薄壁件鏡像加工后的尺寸誤差較大，有射流支撐加工尺寸誤差顯著減小。從圖8得出無射流支撐薄壁件鏡像加工時的薄壁件頂端處尺寸誤差呈現(xiàn)出中間小兩端大的趨勢，最大處的尺寸誤差為0.255mm；有射流支撐時上述兩處的尺寸誤差范圍在0.010mm~0.048mm，并基本呈現(xiàn)一水平直線關(guān)系，很好的抑制了薄壁件加工過程中的尺寸誤差。

5結(jié)論

針對薄壁件的低剛度特性，在加工過程中易產(chǎn)生尺寸誤差。本文通過建立低剛度薄壁件切削加工力學(xué)模型，并分析易知導(dǎo)致薄壁件尺寸誤差的主要的切削力是背向力。因此，本文提出水射流鏡像加工薄壁件的工藝方法來減小薄壁件的加工誤差。最后，通過實驗方法證明了水射流支撐鏡像加工薄壁件可顯著提高其加工精度和自身剛度。

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(編輯李秀敏)

Research on Deformating Compensation in Thin-walled parts Jet Image Machining

XU Zhong-lan

(precision Manufacturing Engineering Department,Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou Jiangsu 215104, China)

Abstract：Due to cutting force in machining process, it can easies to produce the size error such as cutting deformation and cutting vibration of low rigidity thin-walled parts. This article carries on the analysis of thin-walled parts in the machining process by force. Thin-walled parts in machining process due to the cutting force generated size error phenomenon, and new machining method is proposed which is using water jet image machining thin-walled parts, in order to reduce the size error of thin-walled parts. The experimental results validate the water jet image machining technology can effectively improve the machining precision of thin-wall parts.

Key words：thin-walled parts; deformation; water jet; image machining

中圖分類號：TH161.6 ；TG54

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：徐忠蘭(1970—)，女，江蘇興化人，蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為CAD/CAE/CAM，(E-mail )xuzhonglan1970@yeah.net。

收稿日期：2015-03-02；修回日期：2015-04-01

文章編號：1001-2265(2016)01-0137-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.038