本發(fā)明涉及航空制造方法領(lǐng)域，特別是涉及一種整體壁板銑削變形控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代飛行器的性能不斷提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了變化，開始大量采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如整體框、梁、壁板等構(gòu)件，零件的大型化和結(jié)構(gòu)整體化趨勢日趨明顯。例如，以鋁合金材料為主導(dǎo)的大型整體結(jié)構(gòu)件在民用航空器領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。鋁合金密度2.7g/cm³，具有輕量化、薄壁化和整體化的特點(diǎn)，而且鋁合金價(jià)格低廉易于加工，因此航空制造業(yè)普遍采用數(shù)控銑削方式加工整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

大型機(jī)翼整體壁板由于具有結(jié)構(gòu)效率高、易于實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)、密封性好等突出優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代民用飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件。現(xiàn)代數(shù)字化機(jī)翼整體壁板的制造流程分為六個(gè)步驟：(1)壁板數(shù)字化設(shè)計(jì)；(2)壁板成形評(píng)估；(3)展開與板坯建模；(4)板坯數(shù)控銑削加工；(5)輔助工藝設(shè)計(jì)；(6)數(shù)控噴丸成形。其中第1-3步為飛機(jī)設(shè)計(jì)單位完成，第4-6步為飛機(jī)制造單位完成。為了提高燃油效率，機(jī)翼整體壁板設(shè)計(jì)大量采用薄壁結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)弱剛性、板坯材料中的殘余應(yīng)力、銑削加工產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力、銑削熱等因素的共同作用，導(dǎo)致機(jī)翼整體壁板加工過程中和結(jié)束后變形較大，嚴(yán)重影響數(shù)控銑削工藝的執(zhí)行效率以及后續(xù)噴丸成形工藝的準(zhǔn)備。

因此，如何解決整體壁板銑削加工變形問題，實(shí)現(xiàn)高性能制造，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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?xì)堄鄳?yīng)變能和銑削加工應(yīng)變能，可有效消除整體壁板銑削變形問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)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(duì)所述試樣進(jìn)行平面應(yīng)力測試，以獲取所述板坯的板坯殘余應(yīng)力；

步驟S3：對(duì)所述試樣進(jìn)行壁板銑削標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)加工，并測量銑削導(dǎo)致的所述試樣的材料表層殘余應(yīng)力；

步驟S4：建立所述板坯與零件的實(shí)體模型，確定材料去除量；

步驟S5：根據(jù)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(jù)所述步驟S2與所述步驟S3中測量獲得的所述板坯殘余應(yīng)力和所述材料表層殘余應(yīng)力為初始條件，采用彈性理論中的應(yīng)變能公式分析所述零件在加工過程中隨材料去除時(shí)的應(yīng)變能變化，并設(shè)定目標(biāo)函數(shù)Δ(U，R，G)代表所述零件的變形量，其中U為應(yīng)變能，R為材料去除策略，G為零件幾何外形；

步驟S7：以目標(biāo)函數(shù)Δ(U，R，G)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化所述零件在加工過程的應(yīng)變能釋放，進(jìn)行所述零件加工的虛擬試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)依照當(dāng)前工藝參數(shù)制定，獲得最優(yōu)材料去除策略；

步驟S8：判斷當(dāng)前各級(jí)工藝流程零件變形是否達(dá)標(biāo)，如符合公差要求，則進(jìn)入零件加工驗(yàn)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(yōu)材料去除策略；

步驟S9：采用所述最優(yōu)加工策略進(jìn)行所述零件的銑削加工。

優(yōu)選的，所述步驟S1具體為：

選取所述待加工板坯的中心區(qū)域，截取能夠代表母材殘余應(yīng)力的所述試樣。

優(yōu)選的，所述步驟S2具體為：

采用裂紋柔度法對(duì)所述試樣進(jìn)行平面應(yīng)力測試。

優(yōu)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(yīng)力狀態(tài)，獲得試樣長度方向和寬度方向的應(yīng)力σ_x和σ_y。

優(yōu)選的，所述步驟S3中，采用XRD法測量銑削導(dǎo)致的所述試樣的材料表層殘余應(yīng)力σ_c。

優(yōu)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(shí)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(yōu)選的，所述步驟S7中，所述最優(yōu)材料去除策略包括對(duì)所述零件的切削層深度以及材料去除順序。

優(yōu)選的，所述步驟S6中，所述應(yīng)變能公式具體為：

其中：應(yīng)變能U計(jì)算可采用廣義胡克定律對(duì)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(fā)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(duì)所述試樣進(jìn)行平面應(yīng)力測試；對(duì)所述試樣進(jìn)行壁板銑削標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)加工，并測量銑削導(dǎo)致的所述試樣的材料表層殘余應(yīng)力；建立所述板坯與零件的實(shí)體模型，確定材料去除量；根據(jù)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(jù)獲得的所述板坯殘余應(yīng)力和所述材料表層殘余應(yīng)力為初始條件，分析所述零件在加工過程中隨材料去除時(shí)的應(yīng)變能變化，并設(shè)定目標(biāo)函數(shù)Δ(U，R，G)代表所述零件的變形量，其中U為應(yīng)變能，R為材料去除策略，G為零件幾何外形；以目標(biāo)函數(shù)Δ(U，R，G)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，獲得最優(yōu)材料去除策略；判斷當(dāng)前各級(jí)工藝流程零件變形是否達(dá)標(biāo)，如符合公差要求，則進(jìn)入零件加工驗(yàn)證步驟；采用所述最優(yōu)加工策略進(jìn)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(yīng)變能定量分析零件加工過程中材料去除導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化，建立了能量與零件變形量的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，使得變形分析及工藝優(yōu)化流程目標(biāo)明確，提升了變形分析的效率和精度；同時(shí)，該方法不需要額外的加工變形校正裝備，實(shí)施流程簡單高效，成本較低，適用于航空大型整體構(gòu)件的小批量定制服務(wù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的整體壁板銑削變形控制方法一種具體實(shí)施方式的流程圖；

圖2為本發(fā)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(fā)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(yīng)力測試示意圖；

圖4是本發(fā)明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中加工策略優(yōu)化示意圖；

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

具體實(shí)施方式

本發(fā)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(duì)板坯原始?xì)堄鄳?yīng)變能和銑削加工應(yīng)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(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參考圖1至圖4，圖1為本發(fā)明所提供的整體壁板銑削變形控制方法一種具體實(shí)施方式的流程圖；圖2為本發(fā)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(fā)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(yīng)力測試示意圖；圖4是本發(fā)明所提供的整體壁板銑削變形控制方法中加工策略優(yōu)化示意圖。

在該實(shí)施方式中，大型機(jī)翼整體壁板通常選用鋁合金預(yù)拉伸板銑削加工而成，板材內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為典型的平面應(yīng)力分布，機(jī)翼整體壁板材料去除量高達(dá)90％以上，有充足的余量進(jìn)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(jìn)一步，選取待加工板坯1的中心區(qū)域，截取能夠代表母材殘余應(yīng)力的試樣2；

具體的，為避免邊緣效應(yīng)造成試樣應(yīng)力與母材應(yīng)力不符，選取待加工板坯1不影響后續(xù)零件5加工的中心區(qū)域截取試樣2，根據(jù)圣維南原理試樣2尺寸應(yīng)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(yīng)力；

步驟S2：對(duì)試樣2進(jìn)行平面應(yīng)力測試，以獲取板坯1的板坯殘余應(yīng)力；具體的，采用裂紋柔度法對(duì)試樣2進(jìn)行平面應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，獲得試樣2長度方向和寬度方向的應(yīng)力σ_x和σ_y；

步驟S3：對(duì)試樣2進(jìn)行壁板銑削標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)加工，并測量銑削導(dǎo)致的試樣2的材料表層殘余應(yīng)力；具體的，采用XRD法測量銑削導(dǎo)致的試樣2的材料表層殘余應(yīng)力σ_c；更具體的，采用壁板銑削標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)加工試樣2，保證銑削刀具、切削參數(shù)及冷卻潤滑與零件5加工狀態(tài)一致，獲得已加工表層變質(zhì)層。如圖3所示，借助XRD法測量銑削導(dǎo)致的材料表層殘余應(yīng)力σc，其中，試樣2加工后形成已加工表面變質(zhì)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(shí)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(shí)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(jù)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(jī)床性能等參數(shù)，使用UG軟件NC模塊制定零件5加工工藝；

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

具體的，應(yīng)變能公式具體為：

其中：應(yīng)變能U計(jì)算可采用廣義胡克定律對(duì)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(biāo)函數(shù)Δ(U，R，G)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化零件5在加工過程的應(yīng)變能釋放，進(jìn)行零件5加工的虛擬試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)依照當(dāng)前工藝參數(shù)制定，獲得最優(yōu)材料去除策略；

具體的，最優(yōu)材料去除策略包括對(duì)零件5的切削層深度以及材料去除順序。

進(jìn)一步，以目標(biāo)函數(shù)Δ(U，R，G)最小值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行零件5加工的虛擬試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)依照當(dāng)前工藝參數(shù)制定；虛擬試驗(yàn)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(yīng)力和銑削殘余應(yīng)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(duì)位置，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)高效無成本數(shù)據(jù)采集，為工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

步驟S8：判斷當(dāng)前各級(jí)工藝流程零件5變形是否達(dá)標(biāo)，如符合公差要求，則進(jìn)入零件5加工驗(yàn)證步驟；如不符合公差要求，則返回步驟S7重新求解最優(yōu)材料去除策略；

具體的，由虛擬試驗(yàn)結(jié)果的變形量為標(biāo)準(zhǔn)，判斷當(dāng)前各級(jí)工藝流程零件5變形是否達(dá)標(biāo)，如符合公差要求，則進(jìn)入零件5加工驗(yàn)證步驟；如不符合公差要求，則返回上一步重新求解最優(yōu)加工策略，針對(duì)鋁合金機(jī)翼壁板材料去除量大的特點(diǎn)，如圖4所示，給出了板坯殘余應(yīng)力分布6的曲線，主要調(diào)整材料去除順序，可調(diào)整對(duì)稱去除比例，也可調(diào)整零件5與板坯1的相對(duì)位置使得上下表層材料去除量不等，通過trial and error(試錯(cuò)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(yōu)加工策略進(jìn)行零件5的銑削加工，消除加工過程中及結(jié)束后的變形量，使零件5符合設(shè)計(jì)要求。

該整體壁板銑削變形控制方法，采用應(yīng)變能定量分析零件5加工過程中材料去除導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化，建立了能量與零件5變形量的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，使得變形分析及工藝優(yōu)化流程目標(biāo)明確，提升了變形分析的效率和精度；同時(shí)，該方法不需要額外的加工變形校正裝備，實(shí)施流程簡單高效，成本較低，適用于航空大型整體構(gòu)件的小批量定制服務(wù)。

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

以上對(duì)本發(fā)明所提供的整體壁板銑削變形控制方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。