一種整體壁板銑削變形控制方法與流程

本發明涉及航空制造方法領域，特別是涉及一種整體壁板銑削變形控制方法。

背景技術：

現代飛行器的性能不斷提高，結構設計發生了變化，開始大量采用整體結構設計，如整體框、梁、壁板等構件，零件的大型化和結構整體化趨勢日趨明顯。例如，以鋁合金材料為主導的大型整體結構件在民用航空器領域獲得廣泛的應用。鋁合金密度2.7g/cm³，具有輕量化、薄壁化和整體化的特點，而且鋁合金價格低廉易于加工，因此航空制造業普遍采用數控銑削方式加工整體復雜結構件。

大型機翼整體壁板由于具有結構效率高、易于實現等強度設計、密封性好等突出優點，成為現代民用飛機的重要結構件。現代數字化機翼整體壁板的制造流程分為六個步驟：(1)壁板數字化設計；(2)壁板成形評估；(3)展開與板坯建模；(4)板坯數控銑削加工；(5)輔助工藝設計；(6)數控噴丸成形。其中第1-3步為飛機設計單位完成，第4-6步為飛機制造單位完成。為了提高燃油效率，機翼整體壁板設計大量采用薄壁結構，由于結構弱剛性、板坯材料中的殘余應力、銑削加工產生的加工殘余應力、銑削熱等因素的共同作用，導致機翼整體壁板加工過程中和結束后變形較大，嚴重影響數控銑削工藝的執行效率以及后續噴丸成形工藝的準備。

因此，如何解決整體壁板銑削加工變形問題，實現高性能制造，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種整體壁板銑削變形控制方法，該整體壁板銑削變形控制方法利用彈性理論分析板坯原始殘余應變能和銑削加工應變能，可有效消除整體壁板銑削變形問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種整體壁板銑削變形控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：在待加工板坯上截取試樣；

步驟S2：對所述試樣進行平面應力測試，以獲取所述板坯的板坯殘余應力；

步驟S3：對所述試樣進行壁板銑削標準工藝參數加工，并測量銑削導致的所述試樣的材料表層殘余應力；

步驟S4：建立所述板坯與零件的實體模型，確定材料去除量；

步驟S5：根據所述板坯與零件的幾何信息，以及所述材料去除量制定零件加工工藝和材料去除策略；

步驟S6：根據所述步驟S2與所述步驟S3中測量獲得的所述板坯殘余應力和所述材料表層殘余應力為初始條件，采用彈性理論中的應變能公式分析所述零件在加工過程中隨材料去除時的應變能變化，并設定目標函數Δ(U，R，G)代表所述零件的變形量，其中U為應變能，R為材料去除策略，G為零件幾何外形；

步驟S7：以目標函數Δ(U，R，G)為評價標準，優化所述零件在加工過程的應變能釋放，進行所述零件加工的虛擬試驗，試驗參數依照當前工藝參數制定，獲得最優材料去除策略；

步驟S8：判斷當前各級工藝流程零件變形是否達標，如符合公差要求，則進入零件加工驗證步驟；如不符合公差要求，則返回所述步驟S7重新求解所述最優材料去除策略；

步驟S9：采用所述最優加工策略進行所述零件的銑削加工。

優選的，所述步驟S1具體為：

選取所述待加工板坯的中心區域，截取能夠代表母材殘余應力的所述試樣。

優選的，所述步驟S2具體為：

采用裂紋柔度法對所述試樣進行平面應力測試。

優選的，所述步驟S2具體為：

采用裂紋柔度法測量截取的所述試樣的平面應力狀態，獲得試樣長度方向和寬度方向的應力σ_x和σ_y。

優選的，所述步驟S3中，采用XRD法測量銑削導致的所述試樣的材料表層殘余應力σ_c。

優選的，所述步驟S4具體為：

采用三維建模UG軟件建立所述板坯與所述零件的實體模型，并采用所述UG軟件的NC模塊確定所述材料去除量。

優選的，所述步驟S7中，所述最優材料去除策略包括對所述零件的切削層深度以及材料去除順序。

優選的，所述步驟S6中，所述應變能公式具體為：

其中：應變能U計算可采用廣義胡克定律對未知量ε_ij變換為已知量σ_ij；材料去除策略R與零件幾何外形G已知。

本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法，包括以下步驟：在待加工板坯上截取試樣；對所述試樣進行平面應力測試；對所述試樣進行壁板銑削標準工藝參數加工，并測量銑削導致的所述試樣的材料表層殘余應力；建立所述板坯與零件的實體模型，確定材料去除量；根據所述板坯與零件的幾何信息，以及所述材料去除量制定零件加工工藝和材料去除策略；根據獲得的所述板坯殘余應力和所述材料表層殘余應力為初始條件，分析所述零件在加工過程中隨材料去除時的應變能變化，并設定目標函數Δ(U，R，G)代表所述零件的變形量，其中U為應變能，R為材料去除策略，G為零件幾何外形；以目標函數Δ(U，R，G)為評價標準，獲得最優材料去除策略；判斷當前各級工藝流程零件變形是否達標，如符合公差要求，則進入零件加工驗證步驟；采用所述最優加工策略進行所述零件的銑削加工。該整體壁板銑削變形控制方法，采用應變能定量分析零件加工過程中材料去除導致的能量轉化，建立了能量與零件變形量的對應函數關系，使得變形分析及工藝優化流程目標明確，提升了變形分析的效率和精度；同時，該方法不需要額外的加工變形校正裝備，實施流程簡單高效，成本較低，適用于航空大型整體構件的小批量定制服務。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法一種具體實施方式的流程圖；

圖2為本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中取樣位置示意圖；

圖3是本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中試樣加工殘余應力測試示意圖；

圖4是本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中加工策略優化示意圖；

其中：1-板坯、2-試樣、3-已加工表面變質層、4-XRD測試儀探頭、5-零件、6-板坯殘余應力分布、7-材料去除策略。

具體實施方式

本發明的核心是提供一種整體壁板銑削變形控制方法，該整體壁板銑削變形控制方法通過對板坯原始殘余應變能和銑削加工應變能的分析，確定壁板最佳材料去除策略，可有效消除整體壁板銑削變形問題。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參考圖1至圖4，圖1為本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法一種具體實施方式的流程圖；圖2為本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中取樣位置示意圖；圖3是本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中試樣加工殘余應力測試示意圖；圖4是本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中加工策略優化示意圖。

在該實施方式中，大型機翼整體壁板通常選用鋁合金預拉伸板銑削加工而成，板材內部應力狀態為典型的平面應力分布，機翼整體壁板材料去除量高達90％以上，有充足的余量進行取樣分析。

該整體壁板銑削變形控制方法包括以下步驟：

步驟S1：在待加工板坯1上截取試樣2；進一步，選取待加工板坯1的中心區域，截取能夠代表母材殘余應力的試樣2；

具體的，為避免邊緣效應造成試樣應力與母材應力不符，選取待加工板坯1不影響后續零件5加工的中心區域截取試樣2，根據圣維南原理試樣2尺寸應該保證長寬至少大于厚度的3倍以上，使得截取試樣2能夠代表母材殘余應力；

步驟S2：對試樣2進行平面應力測試，以獲取板坯1的板坯殘余應力；具體的，采用裂紋柔度法對試樣2進行平面應力測試；更具體的，采用裂紋柔度法測量截取的試樣2的平面應力狀態，獲得試樣2長度方向和寬度方向的應力σ_x和σ_y；

步驟S3：對試樣2進行壁板銑削標準工藝參數加工，并測量銑削導致的試樣2的材料表層殘余應力；具體的，采用XRD法測量銑削導致的試樣2的材料表層殘余應力σ_c；更具體的，采用壁板銑削標準工藝參數加工試樣2，保證銑削刀具、切削參數及冷卻潤滑與零件5加工狀態一致，獲得已加工表層變質層。如圖3所示，借助XRD法測量銑削導致的材料表層殘余應力σc，其中，試樣2加工后形成已加工表面變質層3，XRD測試儀探頭4的測試位置如圖所示；

步驟S4：建立板坯1與零件5的實體模型，確定材料去除量；具體的，采用三維建模UG軟件建立板坯1與零件5的實體模型，并采用UG軟件的NC模塊確定材料去除量；

步驟S5：根據板坯1與零件5的幾何信息，以及材料去除量制定零件5加工工藝和材料去除策略；具體的，由毛坯和零件5的幾何信息、材料去除量和機床性能等參數，使用UG軟件NC模塊制定零件5加工工藝；

步驟S6：根據步驟S2與步驟S3中測量獲得的板坯殘余應力和材料表層殘余應力為初始條件，采用彈性理論中的應變能公式分析零件5在加工過程中隨材料去除時的應變能變化，并設定目標函數Δ(U，R，G)代表零件5的變形量，其中U為應變能，R為材料去除策略，G為零件5幾何外形；

具體的，應變能公式具體為：

其中：應變能U計算可采用廣義胡克定律對未知量ε_ij變換為已知量σ_ij；材料去除策略R與零件5幾何外形G已知。

步驟S7：以目標函數Δ(U，R，G)為評價標準，優化零件5在加工過程的應變能釋放，進行零件5加工的虛擬試驗，試驗參數依照當前工藝參數制定，獲得最優材料去除策略；

具體的，最優材料去除策略包括對零件5的切削層深度以及材料去除順序。

進一步，以目標函數Δ(U，R，G)最小值為評價標準，進行零件5加工的虛擬試驗，試驗參數依照當前工藝參數制定；虛擬試驗采用非線性有限元軟件Marc，初始條件為步驟S2和步驟S3中測試所得板坯殘余應力和銑削殘余應力，邊界條件為UG軟件制定的加工策略，包含銑削深度，材料去除順序和零件5與板坯1相對位置，進行虛擬試驗可以實現高效無成本數據采集，為工藝優化提供基礎數據。

步驟S8：判斷當前各級工藝流程零件5變形是否達標，如符合公差要求，則進入零件5加工驗證步驟；如不符合公差要求，則返回步驟S7重新求解最優材料去除策略；

具體的，由虛擬試驗結果的變形量為標準，判斷當前各級工藝流程零件5變形是否達標，如符合公差要求，則進入零件5加工驗證步驟；如不符合公差要求，則返回上一步重新求解最優加工策略，針對鋁合金機翼壁板材料去除量大的特點，如圖4所示，給出了板坯殘余應力分布6的曲線，主要調整材料去除順序，可調整對稱去除比例，也可調整零件5與板坯1的相對位置使得上下表層材料去除量不等，通過trial and error(試錯法)過程，直至選取過程及最終變形最小的材料去除策略7。

步驟S9：采用最優加工策略進行零件5的銑削加工，消除加工過程中及結束后的變形量，使零件5符合設計要求。

該整體壁板銑削變形控制方法，采用應變能定量分析零件5加工過程中材料去除導致的能量轉化，建立了能量與零件5變形量的對應函數關系，使得變形分析及工藝優化流程目標明確，提升了變形分析的效率和精度；同時，該方法不需要額外的加工變形校正裝備，實施流程簡單高效，成本較低，適用于航空大型整體構件的小批量定制服務。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

以上對本發明所提供的整體壁板銑削變形控制方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。