An allowance allocation method based on dynamic approximation via online inspection data for deformation control of structural parts

Deformation resulting from residual stress has been a significant issue in machining. As allowance allocation can directly impact the residual stress on part deformation, it is essential for deformation control. However, it is difficult to adjust allowance allocation by traditional simulation methods based on residual stress, as the residual stress cannot be accurately measured or predicted, and many unexpected factors during machining process cannot be simulated accurately. Different from traditional methods, this paper proposes an allowance allocation method based on dynamic approximation via online inspection data for deformation control of structural parts. An Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) model for dynamic allowance allocation is established so as to approach the minimum deformation, which is based on the in-process deformation inspection data during the alternative machining process of upside and downside. The effectiveness of the method is verified both by simulation cases and real machining experiments of aircraft structural parts, and the results show that part deformation can be significantly reduced.     

基于非均匀余量的整体叶轮加工工艺优化策略

针对超薄结构叶片整体叶轮在制造过程中叶片产生较大的变形和切削振动,使用非均匀余量加工工艺方案,减小叶片变形提高加工质量。分析了集中载荷对薄壁结构和加厚结构变形的影响,对生产中的叶轮叶片进行非均匀余量加工工艺设计,依据优化后的工艺对叶轮进行刀具轨迹规划并进行加工试验,结果显示该工艺优化策略能有效减小超薄叶片的铣削振动和铣削变形,最大误差优化率为54.47%,平均误差优化率为52.57%,对类似高度与平均厚度比值较大且叶片扭转曲率较大的复杂零件的实际加工有一定的指导意义。     

薄壁件加工变形主动补偿方法

研究薄壁件加工过程中受力变形产生的回弹误差控制,提出了分层完全补偿和优化补偿两种加工路径补偿方法,建立了加工路径补偿优化模型,考虑了多次走刀间加工变形和切削力的耦合作用,并应用迭代算法求解路径补偿优化模型。以航空薄壁件单刃端铣加工为例,对完全补偿、分层完全补偿和优化补偿进行了仿真分析和试验分析。结果表明,分层完全补偿和优化补偿能更好地减少加工误差,为薄壁件受力变形控制提供了参考依据。     

航空发动机TC4机匣加工变形控制研究

航空发动机机匣零件的设计采用整体化、轻量化设计思想,使得结构复杂、规格尺寸大、薄壁特征多,而设计精度要求却在逐渐提高,机匣件加工后产生的变形问题尤显突出。探讨了薄壁结构机匣零件加工变形产生机理,提出分区去除余量控制加工变形的方法。使用Prism电子斑纹干涉钻孔残余应力仪测量了钛合金TC4机匣毛坯表层深度残余应力,通过有限元仿真结果预测出机匣毛坯内部残余应力分布规律。建立了机匣切削加工的有限元仿真模型并进行数值仿真,对两种工艺路线下的变形进行对比分析。最后,通过机匣的切削加工试验验证了仿真结果的正确性。     

基于新型电涡流阻尼器的大飞机垂尾装配界面精加工振动抑制

大飞机垂尾装配界面是由钛合金制成的大型结构件，由于结构刚度低，在精加工时易产生振动、回弹变形和让刀等现象，对其精加工质量造成严重影响。为此，基于电磁感应原理设计了一款新型电涡流阻尼器用于抑制装配界面精加工中的多模态振动。首先，介绍了阻尼器的结构，并建立了其阻尼特性的理论模型。然后，基于该模型分别研究了不同磁极厚度、导体厚度和磁极数等对阻尼器阻尼特性的影响，并确定了阻尼器关键零组件的材料及几何参数。基于此，建立了装配界面抑制系统的动力学模型，并通过数值分析和有限元仿真方法得到了装配界面振动速度与阻尼器阻尼特性的变化规律。最后，通过动力学测试和切削实验对阻尼器的抑振性能进行了验证。锤击测试结果表明该阻尼器能明显提高装配界面抑振系统的阻尼比和等效刚度，阻尼比最大能提高2.17倍，等效刚度最大能提高1.65倍，能大幅衰减装配界面在冲击激励下产生的自由振动。切削实验结果表明该阻尼器能显著提升装配界面精加工过程的稳定性，装配界面时域信号的振动幅值最大能降低64.4%。通过对比实验结果得知双阻尼器配置对装配界面的抑振效果更好，能明显提高其动态可加工性，工艺参数轴向切深能提高至2.0 mm，主轴转速可提升至500 r/min，这为保证和提高装配界面的精加工质量提供了一种简单可行的解决方案。     

基于CAM/CNC集成的航空大型薄壁件数控加工在机刀轨调整方法

航空大型薄壁零件刚性弱,加工过程中易产生超差变形,需要对零件进行在机检测,并将检测数据反馈给CAM系统进行拟合并调整刀轨。以上过程需要在不同部门和系统间进行切换,严重影响了生产效率。针对以上问题,提出了一种基于CAM/CNC集成的航空大型薄壁件数控加工在机刀轨调整方法。建立了CAM/CNC集成框架,并构建了用于CAM/CNC间信息传递的动态特征信息模型,基于CAM系统离线生成特征理论中间状态,基于CNC系统建立特征实际中间状态检测点同理论中间状态的映射关系。通过分析理论厚度和实际厚度,确定特征中间状态的变形情况。针对变形导致特征中间状态加工余量无法包络符合公差要求的最终加工状态的情况,进行在机刀轨调整。基于所提出的方法开发的航空大型薄壁件数控加工在机刀轨调整系统在某大型航空企业得到了应用验证,可有效避免信息的反复传递,减少了工艺人员的重复劳动,提高了生产效率。     

航空薄壁回转体零件热处理残余应力的建模与仿真

航空薄壁回转体零件由于自身结构的特殊性,使得残余应力对其变形和精度稳定性有着很大的影响.采用热弹塑性有限元模型对薄壁回转体铝合金零件的热处理过程进行建模和仿真,运用有限元软件,对2A12铝合金薄壁回转体零件热处理过程瞬态温度场和应力场进行模拟,分析了热处理各个阶段的应力分布形态,并进行实验验证,数值模拟得到的残余应力值与实验结果基本一致.     

轮廓度约束下近净成形叶片余量优化方法

针对近净成形的叶片在自适应精加工中余量不均这一问题,提出了考虑叶型截面线轮廓度公差约束的余量优化方法。在设计基准与加工基准配准的条件下,改变工件做刚性位移的余量优化思路,建立一种新的叶身优化模型,避免优化后叶片检测处的截面线超出轮廓度公差,提升叶片余量优化阶段寻找到目标加工曲面的能力。最后以某压气机叶片为例进行验证,此方法不仅能够保证叶身加工余量,还能同时满足型面检测处的轮廓度公差,为近净成形的叶片在自适应加工中提供一种新的余量优化方法。     

基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成方法

框、梁、壁板、蒙皮等飞机关键零部件中包含大量型腔特征,其加工效率直接影响零件的整体加工效率。高速铣削机床的发展为此类零件的高效加工奠定了很好的硬件基础,也给型腔铣削刀具轨迹生成带来了新的问题。例如蒙皮镜像铣由于其特殊的设计,对刀具轨迹提出平滑无抬刀、步距变化严格控制在一定范围内等更严苛的要求,从而保证蒙皮高质量加工。结构件高速加工中为了保持刀具的高进给和高转速,也要求刀具轨迹平滑且步距平稳变化。然而现有的型腔铣削刀轨生成方法大多基于局部优化解决加工残余和刀轨不平滑问题,难以生成同时满足多工艺约束尤其是步距约束的刀具轨迹,无法完全发挥高速机床的性能。针对此问题,本文提出基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成及优化方法。该方法首先基于中轴变换提取型腔骨架线,并进一步修正从而生成刀轨偏置基准和初始刀轨。其次利用图像变形算法对初始刀轨进行迭代变形优化,使最终优化刀轨与目标型腔区域吻合,且满足高速加工的工艺约束条件。该方法在离散的图像域内从整体角度优化刀具轨迹,不仅保证轨迹平滑无抬刀,还能保证步距在容许范围内平稳变化。实验证明本文提出的方法在保证轨迹平滑和步距平稳变化等方面的有效性,能够满足高性能加工的要求。     

铝合金厚板淬火残余应力的有限元模拟及其对加工变形的影响

航空整体结构件在加工过程中容易发生较大变形。为了研究毛坯的初始残余应力对整体结构件加工变形的影响,采用准耦合方法,利用有限元软件ABAQUS模拟7075铝合金毛坯的淬火过程,研究该过程中温度的变化和残余应力的分布规律,并在含有淬火残余应力的毛坯上进行材料去除模拟。结果表明,模拟产生的比例件的变形与实际加工的比例件的变形非常近似,从而证明了毛坯的初始残余应力是引起整体结构件加工变形的主要因素,同时验证了准耦合淬火模拟的有效性。     

航空结构件铣削变形及其控制研究进展

随着机床加工性能和刀具切削性能的提升,航空结构件的高效高精加工成为可能。航空结构件薄壁加工特征多,在铣削过程中易发生变形,因此预测与控制航空结构件的加工变形是切削加工领域内亟待解决的难题。通过总结了航空结构件的特点及加工难点,对加工变形形成机理进行深入分析;对加工变形影响最为关键的铣削力模型进行归纳;阐述了航空结构件残余应力变形预测的研究进展,以及利用加工工艺优化、数控补偿技术和高速切削加工技术等实现航空结构件加工变形控制的主要策略,最后对其未来研究方向进行了展望。     

薄型中空电极振动电解切割TB6钛合金

TB6钛合金由于具有优越的性能,广泛地用于航空航天领域。然而从大余量的TB6钛合金锻铸件毛坯加工成复杂结构的零件,其加工效率低,刀具和机床成本高,造成了极大的浪费。为解决这一问题,提出了一种利用薄型中空电极进行快速大余量去除的电解加工(ECM)方法,即将零件与多余材料切割分离,有望较大程度提高加工效率,降低加工成本。为改善电解加工流场特性,提高加工精度,对电极施加振动,并对薄型中空电极的振动切割进行了建模分析和试验研究。试验结果表明,合适的振动幅值和频率(A=0.05mm,f=50Hz)可以使得各处电解液电导率趋于一致,从而提高加工的精度、稳定性和效率。复杂结构件的成功切割证明了薄型中空电极振动电解切割加工技术具有一定的适用性。     

GH4096合金固溶冷却方式对性能和残余应力的影响

为了在保证GH4096合金主要力学性能的前提下,降低薄壁类零件用锻件的内部残余应力,提高零件加工过程的尺寸控制精度,研究空冷,风冷,油冷,盐浴等固溶冷却方式对GH4096合金环锻件析出相的尺寸和形貌、主要力学性能和内部残余应力的影响。结果表明:与采用传统油冷的试件相比,空冷试件的二次、三次γ′相较为粗大,蠕变性能和高温拉伸性能有较大幅度的降低,风冷试件的二次γ′相尺寸略有增大,三次γ′相尺寸相当,蠕变性能和拉伸性能有小幅降低,盐浴冷却试件的二次、三次γ′相尺寸相当,蠕变性能和拉伸性能相差较小。采用风冷的试件内部残余应力可控制在±100 MPa以内,比油冷和盐浴冷却的试件降低50%以上。GH4096合金环件固溶处理冷却方式采用风冷与传统的油冷和盐浴冷却方法相比,可以明显降低锻件内部残余应力,蠕变和高温拉伸等性能只有小幅降低,有助于改善GH4096合金薄壁零件冷加工过程的变形问题,提高尺寸控制精度。     

Energy principle and material removal sequence optimization method in machining of aircraft monolithic parts

In the machining process of aircraft monolithic parts, the initial residual stress redistribution and structural stiffness evolution often lead to unexpected distortions. On the other hand, the stress redistribution and stiffness reduction during the machining process depend on the material removal sequence. The essence of the stress redistribution is releasing the initial elastic strain energy. In the present study, the influence of the material removal sequence on the energy release is studied. Moreover, a novel optimization method is proposed for the material removal sequence. In order to evaluate the performance of the proposed method, the mechanism of the machining distortion is firstly analyzed based on the energy principle. Then a calculative model for the machining distortion of long beam parts is established accordingly. Moreover, an energy parameter related to the bending distortion and the procedure of the material removal sequence optimization is defined. Finally, the bending distortion analysis and material removal sequence optimization are performed on a long beam with a Z-shaped cross-section. Furthermore, simulation and experiments are carried out. The obtained results indicate that the optimized sequence results in a low distortion fluctuation and decreases the bending distortion.     

残余应力对加工变形影响的分析与模拟

为了研究材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形,假设在该过程中没有引入另外的应力,采用理论计算和有限元模拟的方法对含有已知单向应力情况的矩形板进行了求解,计算了在剥层过程中的曲率、挠度和残余应力,并分析了剩余部分的残余应力变化趋势。结果表明理论解与有限元解获得了极好的吻合。采用有限元法进一步研究了材料去除过程中,单向和双向残余应力对加工变形的影响以及最终残余应力分布规律的异同。     

残余应力重分布引起的薄壁零件加工变形研究

现代航空工业中为减轻飞机重量,提高飞机的各项机械性能,整体构件越来越多地被使用。加工大型整体薄壁构件时,有90％以上的材料被切削加工去除,由于材料去除后零件刚度的降低以及应力的释放,造成过大的加工变形。本文用MSC．Marc有限元软件仿真了铝合金预拉伸板材料去除对于加工变形的影响,并分析了加工变形的成因。为验证有限元结果的正确性,在高速数控铣床上加工了同样的试件。结果表明仿真结果与实验结果一致,残余应力的释放与重分布是薄壁零件加工变形的主要原因。     

飞机结构件数控加工变形控制研究与仿真

以飞机弧形结构件这一典型易变形的零件为例,研究数控加工变形情况及其影响因素,分析数控加工过程中切削力对变形、残余应力对加工变形、装夹布局对飞机结构件数控加工变形的影响,并针对所研究的3个方面建立相应的物理仿真模型,模拟加工变形情况,提出了相应的解决方案。     

Effect of assisted transverse magnetic field on distortion behavior of thin-walled components in WEDM process

Machining performance of thin-walled components made by aeronautical difficult-toprocess materials is a significant issue in the aviation manufacturing industry. Although wire electric discharge machining-low speed(WEDM-LS) is one of typical non-contact machining processes without macro cutting force, which does well in removing hardness and brittleness materials via pulsed discharge at high temperature, but few researchers have studied the thermal distortion behavior leading to a considerable g...     

γ-TiAl合金铣削加工表面残余应力研究

为了探索高温理想结构材料γ-Ti Al合金铣削表面残余应力特性,结合正交试验数据处理方法中的极差分析法,建立各工艺因素情况下不同水平对表面残余应力的关系曲线,并对其工艺过程中的热力影响机理进行分析;同时建立面向残余应力的各因素灵敏度数学模型,进而确定以获取较大残余压应力为目标的工艺参数优选区间。研究表明:在试验参数限定范围内,步进方向以及进给方向均呈现为残余压应力,主要原因是冷塑性变形占主导作用。通过对灵敏度数学模型进行分析,发现残余应力对设计变量中的铣削速度变化最敏感,对每齿进给量、铣削深度和铣削宽度的敏感程度近似相同,为Ti Al金属间化合物铣削表面残余应力控制研究提供了理论依据。     

一种快速有效的薄壁件加工表面误差预测算法

 在切削力作用下，刀具/工件的变形是影响薄壁弱刚度件加工精度与质量的关键因素，快速有效地进行表面误差的预测是实现工艺参数优化及在线刀具路径补偿的前提。针对立铣加工过程，提出了一种考虑刀具/工件变形位置的快速柔性迭代算法，基于此建立了薄壁件加工变形预测的有限元计算模型，并通过等效集中力作用位置的确定、模型分割及最小化网格重划方法进一步提高了模型的计算速度。通过刀具/工件的瞬时接触区域的限定算法、实际切深的修正算法、材料去除效应的模拟等关键技术更提高了模型的计算精度。以典型航空铝合金材料为对象，合理安排试验，并通过数值计算结果和试验数据的对比，表明该方法计算精度高，计算速度较文献方法提高了近2倍。