数控加工变形控制课件.ppt
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- 数控 加工 变形 控制 课件
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1、数控加工变形控制策略数控加工变形控制策略目录目录1 1 引言引言2 2 影响数控加工变形原因影响数控加工变形原因3 3 数控加工变形控制关键技术数控加工变形控制关键技术 4 4 工件残余应力稳定化处理工件残余应力稳定化处理5 5 增强工件加工过程刚性增强工件加工过程刚性6 6 数控编程及切削参数优化技术数控编程及切削参数优化技术7 7 装夹系统优化技术装夹系统优化技术8 8 高速切削技术高速切削技术9 9 物理仿真技术物理仿真技术10 10 加工后校形技术加工后校形技术1、引言、引言 数控加工技术已经成为航空航天产品制造的关键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
2、大量金属薄壁件,并向技术之一。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、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,成为数控形,并高效率、高质量、低
3、成本完成加工,成为数控加工工艺技术发展的一个重点。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影响数控加工变形原因分析2、影响数控加工变形原因、影响数控加工变形原因数控编程及切削参数优化技术数控编程及切削参数优化技术装夹系统优化技术装夹系统优化技术增强工件加工过程刚性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物理仿真与变形误差补偿技术数控高速加工技术数控高速加工技术工件残余应力稳定化处理技术工件残余应力稳定化处理技术加工后校形技术加工后校形技术3、数控加工变形控制关键技术、数控加工变形控制关键技术 4.2 坯料冷镦及校平工艺坯料冷镦及校平工艺 如果翼类件采用的是铝合金材料锻
4、件坯块,采如果翼类件采用的是铝合金材料锻件坯块,采用独特的用独特的“冷镦冷镦”工艺,即锻打锻件坯块的两面,工艺,即锻打锻件坯块的两面,使其坯块在厚度方向上减薄使其坯块在厚度方向上减薄58,使锻件毛,使锻件毛坯产生预紧压应力,对减少工件加工变形效果明坯产生预紧压应力,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面进行拍打。这些
5、方法对于翼类件加工前毛坯的准备十分必要。准备十分必要。4.3 振动时效振动时效 振动时效在国外称振动时效在国外称VSR(Vibratory Stress Relief),振动时效对于消除、均化和减小金属构),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。艺和超声振动工艺。采用铝合金采用铝合金VSR多级振动时效消除应力工艺技术,多级振动时效消
6、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。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
7、技术的基础上,多级振动时效技术是在传统振动时效技术的基础上,自动捕捉工件自动捕捉工件35个亚共振频率,更彻底消除和均化个亚共振频率,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。振动时效技术尤其适合。4.4 人工时效与自然时效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
8、的。工件变形问题可以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。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。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行自然时效。自然时效最短时间一般不得少于72小时。小时。4.5 冷热循环时效处理冷热循环时效处理 冷热循环时效处理在小中型铝材料薄壁零件加工应用冷热循环时效处理在小中
9、型铝材料薄壁零件加工应用比较广泛,特别是摄式比较广泛,特别是摄式50C 90C的深冷冰柜应用,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。的切削加工性能、减少切削加工变形有明显的效果
10、。石膏石膏填料填料低熔点低熔点合金合金工艺工艺凸台凸台胎具胎具工装工装增强增强工件刚性工件刚性5、增强工件加工过程刚性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,具体有增强零件刚性和紧固零件方法有多种,具体有:1、浇灌石腊、浇灌石腊;2、浇灌石膏、浇灌石膏;3、应用低熔合金。此、应用低熔合金。此外还应用明矾、低熔塑料。在其它零件加工中外还应用明矾、低熔塑料。在其它零件加工中,还还有用硫磺、松香、牙托粉等材料的情况。俄罗斯有用硫磺、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近几年使用一种尿素树脂聚合物,作为增强零件刚作为增强零件刚性的材料。该聚合物是由性的材料。该聚
11、合物是由96%的尿素树脂和的尿素树脂和4%的硫酸钾组成,熔融温度为的硫酸钾组成,熔融温度为134 140C。固化迅。固化迅速速,刚性好刚性好,粘结力强粘结力强,溶解速度快溶解速度快,价格便宜。可局价格便宜。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把零件加热或放入水中,聚合物可自行与零件脱开。聚合物可自行与零件脱开。5.1 工艺凸台应用工艺凸台应用 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,设计不同类型的凸台装夹策略,并根据产品工艺特点,设计不同类
12、型的装夹工艺凸台(工艺搭子)和辅助支撑。并利用辅助支装夹工艺凸台(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。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,设计非常经济实用的方法,其要点是要在加
13、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,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。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。体工件必须分几次填入
14、石膏。5.3 低熔点合金应用低熔点合金应用 采用低熔点合金(采用低熔点合金(Low Melting AlloyLow Melting Alloy ),类),类似铸造原理,将低熔点填料填充在工件腔体或人为似铸造原理,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,加热使低熔点大改善,加工精度提高。加工完毕,加热使低熔点合
15、金或低熔点填料熔化、倒出、回收即可,填料可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。得到高精度的复杂薄壁零件。低熔点合金配制低熔点合金配制 低熔点合金的熔化温度可配置成低熔点合金的熔化温度可配置成4747C C262262C C,可通过几种常用合金元素不同配比获得。铋可通过几种常用合金元素不同配比获得。铋(Bi)(Bi)、铅、铅(Pb)(Pb)、锡、锡(Sn)(Sn)、铟、铟(In)(In)、
16、锑、锑(Sb)(Sb)等几种金属元素是比等几种金属元素是比较理想的低熔点合金组分。锡熔点较理想的低熔点合金组分。锡熔点231.9231.9C C,铅熔点,铅熔点为为327.4327.4C C,锑熔点为,锑熔点为630.5630.5C C;铟熔点为;铟熔点为156.6156.6C C,具有热缩冷胀性质,但价高;铋熔点为具有热缩冷胀性质,但价高;铋熔点为271.3271.3C C,密,密度为度为9.759.75,无毒无害,并具有热缩冷胀特性,铋同铅、,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
17、合金中所占的百分比,就可获得金,改变这些金属在合金中所占的百分比,就可获得4747C C262262C C熔点和不同物理性质的合金。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、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。以铋填料加工高精度薄壁工件。以铋(Bi)(Bi)金属为
18、主要成分,金属为主要成分,逐渐加入铅逐渐加入铅(Pb)(Pb)、锡、锡(Sn)(Sn)、锑、锑(Sb)(Sb)等几种金属元素,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。并不断改变含量,得到所需要的低熔点合金。例:铋例:铋(Bi)41(Bi)41、铅、铅(Pb)30(Pb)30、锡、锡(Sn)20(Sn)20、锑锑(Sb)9(Sb)9进行配比,得到了熔点为进行配比,得到了熔点为7070C C的合金,的合金,实物如图实物如图1 1所示。该铋基合金低熔点共晶合金,密度所示。该铋基合金低熔点共晶合金,密度为为9.4g/cm39.4g/cm3。该合金很容易铸型,而且一旦凝固即可使用。用热该
19、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。熔点合金实物及加热方法如图所示。实物及加热方法图实物及加热方法图低熔点合金在薄壁腔体加工中应用低熔点合金在薄壁腔体加工中应用典型薄壁盒体零件图典型薄壁盒体零件图 某典型薄壁腔体零件:某典型薄壁腔体零件:腹板和侧壁壁厚均为腹板和侧壁壁厚均为0.40.4mmmm0.5mm0.5mm材料:铝合金材料:铝合金 铝盒子加工采用平口钳夹紧,铣完上腔体和
20、四周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:后的薄壁面夹持面填料两种用途。工艺流程如下:下料下料飞铣六面飞铣六面铣上腔体铣上腔体浇铸低熔点合金浇铸低熔点合金铣上腔体四周铣上腔体四周0.50.5厚外侧厚外侧 卸下工件、用硬纸围四卸下工件、用硬纸围四侧面侧面浇铸低熔点合金形成夹持面浇铸低熔点合金形成夹持面铣下腔体、保铣下腔体、保证底面证底面0.50.5厚厚浇铸低熔点合金浇铸低熔点
21、合金铣下腔体四周铣下腔体四周0.40.4厚外侧厚外侧熔化低熔点合金熔化低熔点合金成品成品 铝盒子零件加工时采用低熔点合金分别作为腔体的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。示意图和实物。低熔点合金填料图低熔点合金填料图 低熔点合金特别适于在加工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部份。低熔点合金的机械性能足以满足定位和夹持
22、操作时的刚性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充物,对保持工件的尺寸精度比较理想。较理想。熔化低熔点合金图熔化低熔点合金图实际加工结果:上、下腔体侧壁壁厚差为实际加工结果:上、下腔体侧壁壁厚差为0.025mm0.025mm上、下腔体之间的上、
23、下腔体之间的0.5mm0.5mm腹板厚度非常均匀,壁腹板厚度非常均匀,壁厚差为厚差为0.030mm0.030mm,加工质量比较理想,加工质量比较理想 熔化低熔点合金后的工件实物图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数控编程及切削参数优化技术 在数控加工中在数控加工中,由于切削参数的选择不当导致切由于切削参数的选择不当导致切削力过大削力过大,刀具磨损严重刀具磨损严重,零件表面残余应力增加零件表面残余应力增加,加加工质量下降等都会增加加工成本工质量下降等都会增加加工成本,降低数控加工的效降低数控加工的效率率,因此数控加工切削参数的合理和优化选择是非常因此数控加工切削参数的合理
24、和优化选择是非常重要的重要的,目前关于切削参数优化已经提出了多种算法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其中基于生物进化理论的基因算法,可用于多参数可用于多参数,多约束条件和多目标的优化多约束条件和多目标的优化,可进行全局的探索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、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进给量下的残余应力及变形情况,从中得到各切削参从中得到各切削参数对变形的影响数对变形的影响,以选择优
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