航空信息化大会演讲PPT课件 飞机结构件数控加工变形控制-成飞PPT

飞机结构件数控加工洪建胜成都飞机工业（集团）有限责任公司变形控制一、加工变形成因二、解决方案三、典型案例提纲飞机结构件数控加工变形是制约加工效率提高的关键技术难题，大型飞机结构件数控加工变形量可达数毫米,甚至几十毫米。导致数控加工变形的主要原因：环境温度变化导致工件变形；粗加工毛坯初始应力平衡状态被打破，新的应力重分布导致工件变形；精加工切削加工过程中，在机械载荷与热载荷综合作用下产生的加工应力导致工件变形。1.1飞机结构件数控加工变形成因变形控制存在的问题：对复杂结构件变形缺乏系统研究；缺乏精准、有效的变形预测方法；变形控制缺乏商品化工具。1.2数控加工变形控制存在问题一、加工变形成因二、解决方案三、典型案例提纲主要解决方案铝合金7050-T7451热特性研究毛坯初始残余应力测试及对变形影响加工刀具及参数对加工应力及变形影响不同特征的变形补偿方法研究有限元软件封装技术研究ABAQUS环境下的快速变形预测软件CATIA环境下温度变形的补偿系统典型飞机结构件工程验证基础技术研究软件二次开发工程验证预拉伸板材热膨胀系数测试

获得不同温度区域7050-T7451铝合金的热膨胀系数变化规律，分析材料不同纤维方向热膨胀系数的变化特性仪器：热机械分析仪（PyrisDiamondTMA）

温控精度测量精度温控范围温升速率初始保压时间0.1℃0.01μm0℃~400℃2℃/min5min热膨胀系数测试试样及热机械分析仪2.1铝合金7050-T7451热特性研究7050-T7451铝合金CTE变化图Al7050-T7451线膨胀系数曲线拟合线膨胀系数整体呈现“增长区-平稳区-增长区”规律；X、Y、Z方向分别为136℃、249℃，138℃、240℃和170℃、264℃出现线膨胀系数变化拐点。2.1铝合金7050-T7451热特性研究线膨胀系数查询数据库

线膨胀系数查询数据库包括两个部分：线膨胀系数试验测试值数据查询；任意温度下线膨胀系数拟合值查询。7050-T7451线膨胀系数数据库2.1铝合金7050-T7451热特性研究残余应力测试规程：试样制备应变片的粘贴装夹和定位切割参数选定测试实验测试后的相关尺寸测量毛坯初始残余应力测试方法尺寸采集示意图基于裂纹柔度法的测试原理，建立了铝合金预拉伸板材毛坯残余应力标准测试规程，显著提高了应变数据采集效率和应力计算精度；基于Matalb的GUI模块，开发了残余应力测试系统，将按照测试规程采集到的应变数据按要求保存，即可快捷得到所测板材的毛坯残余应力。网格划分示意图2.2毛坯初始残余应力测试及对变形的影响测试系统主页面为方便使用，对ABAQUS有限元软件进行二次开发，基于该软件的Plug-ins功能，通过Python语言编写脚本文件，实现对柔度函数仿真分析过程的封装。后处理前处理ABAQUS操作界面基于裂纹柔度法的残余应力测试平台2.2毛坯初始残余应力测试及对变形的影响基于裂纹柔度法的残余应力测试平台基于勒让德多项式最小插值误差分析，获得精确毛坯残余应力数值曲线。残余应变、应力曲线误差分析曲线2.2毛坯初始残余应力测试及对变形的影响不同阶数三种应力误差的均方根值Al7050-T7451轧制方向应变和残余应力分布60mm厚Al7050-T7451毛坯初始残余应力（轧制方向）60mm厚7050-T7451铝合金轧制方向残余压应力的最大值位于距板表面约1/7板厚处，其值为-29.08MPa；最大的残余拉应力在距板表面约1/3板厚处，值为19.43MPa。薄壁单面三隔框零件尺寸

毛坯应力场构建流程多峰Gauss毛坯应力场拟合建立毛坯应力场函数毛坯残余应力场施加毛坯初始残余应力有限元模型建立通过Gauss多峰函数拟合毛坯初始应力场；利用SIGINI子程序，建立蕴含初始毛坯应力的60mm厚7050铝合金毛坯件；2.2毛坯初始残余应力测试及对变形的影响毛坯初始残余应力有限元变形仿真利用“生死单元技术”模拟加工过程结构件变形，工件呈下凹变形；加工中间隔框时的工件刚度急剧降低，应力释放引起薄壁件变形最大；加工后毛坯初始应力重分布引起Z方向最终变形量为

0.51mm，X方向收缩0.199mm。

不同时刻零件变形图（a）左侧框去除后（b）中侧框去除后（c）右侧框去除后不同加工步序时Z方向弯曲量2.2毛坯初始残余应力测试及对变形的影响毛坯残余应力引起工件变形的实验研究仿真与实验相结合，分析铣削加工顺序对框类结构件变形影响；先两端后中间加工顺序能够有效地减小变形；不同加工顺序加工工件不同加工顺序工件变形图工件变形时效特性2.2毛坯初始残余应力测试及对变形的影响X射线测量加工应力（a）

剥层法测量加工应力（b）X-STRESS3000测量结果残余应力沿层深的分布7050-T7451铝合金铣削加工应力主要为压应力；最大应力值分布在20μm-30μm深度，在距表面约82μm处，加工应力的值趋于稳定，接近基体本身的应力；沿进给方向加工应力大于垂直进给方向加工应力；基于公式计算等效加工应力。2.3加工刀具及参数对加工变形的影响加工参数与加工应力关系的经验拟合公式：预测模型与实验值对比图加工参数对加工应力的影响显著性依次为：v＞fz＞ap＞ae

；建立加工工艺参数与加工应力之间的经验拟合公式，并通过显著性分析验证模型的正确性；经验公式模型计算值与实验结果能够较好的吻合。2.3加工刀具及参数对加工变形的影响加工参数对铣削应力影响(a)主轴转速与加工应力关系(b)每齿进给量与加工应力关系通过极差分析，获得了不同加工工艺参数对加工应力的影响规律；铣削工件表面压应力随切削速度增加而逐渐减小；铣削工件表面压应力随每齿进给量的增加呈增大趋势；加工应力与切削参数的关系2.3加工刀具及参数对加工变形的影响刀具结构对加工应力的影响(a)刀尖圆弧半径与加工应力关系(b)切削前角与加工应力关系(c)切削后角与加工应力关系加工应力随着切削前角和切削后角的增大而减小；当刀尖圆弧半径对加工应力产生尺寸效应，当R=4mm时，会出现最大加工压应力；加工应力随着刀具半径增加有变大趋势。(d)刀具直径与加工应力关系2.3加工刀具及参数对加工变形的影响不同铣削刀具几何参数对铣削加工应力的影响。变形补偿系统入口零件重构模块开发了CATIA环境下，铝合金大型结构件温度补偿系统，系统包括典型零件、任意零件、典型截面等变形补偿模块。大型结构件温度补偿系统2.4不同特征的变形补偿方法研究

线膨胀系数查询界面典型零件温度补偿模块典型零件补偿界面典型零件温度补偿模块实现了对长梁类、弧形框类、壁板类等典型件的温度补偿功能；通过路径选择功能，任意零件补偿模块实现了非典型零件线性变形补偿；输入条件及实现功能：系统根据用户自定义环境温度变化值、材料属性、铝合金纤维方向等参数进行重构，输出一定温度下的制造MBD模型；任意零件补偿界面

2.4不同特征的变形补偿方法研究该仿真系统是基于有限元软件ABAQUS进行的二次开发，采用自定制应用程序方式；编写图形用户界面及系统脚本函数，编写相关用户子程序。系统总体结构设计图2.5基于ABAQUS的有限元软件封装仿真系统根据用户定义的精铣工序相关加工工艺参数，自动进行加工过程有限元仿真，获得整体结构件变形预测结果

整体结构件变形预测系统使用流程选择工件材料种类、毛坯结构尺寸，进行毛坯件建模2.5基于ABAQUS的有限元软件封装一、加工变形成因二、解决方案三、典型案例提纲长梁类结构件加工变形的有限元建模采用ABAQUS有限元软件对整体结构件的加工变形进行物理仿真，对比毛坯初始应力与加工应力对变形的影响，确定影响整体结构件变形的主要因素，分析零件加工过程的变形趋势和“应力重分布”规律。长梁（A面）长梁（B面）针对长梁类结构件加工过程进行物理仿真，为便于建模与网格划分，对结构进行相应简化。3.1典型梁类零件变形控制

残余应力分布曲线

加工应力分布曲线（a）局部细化网格（b）整体网格

网格细化将测得的毛坯初始应力和加工应力作为初始条件，基于“生死单元技术”模拟加工过程；编写嵌入应力场SIGINI用户子程序，实现载荷自动施加。长梁类结构件加工变形的有限元建模3.1典型梁类零件变形控制(a)变形云图（×200）(b)沿X方向特征线Y、Z方向位移量毛坯应力单独作用下变形毛坯初始应力单独作用下，使得零件在Y、Z方向弯曲变形；最大弯曲变形为0.3088mm；毛坯应力和加工应力综合作用使得长梁件变形更加复杂，呈现为在Y、Z方向的弯曲变形和垂直X截面方向的扭转变形，最大变形位移为0.5133mm。(a)变形云图（×200）(b)沿X方向特征线Y、Z方向位移量毛坯应力、加工应力共同作用下变形长梁类结构件加工变形的有限元分析3.1典型梁类零件变形控制

应力重分布云图-反面零件加工结束后，基于应力和力矩平衡原理，初始应力场出现重分布现象；长梁类结构件应力主要分布在翼板和反面腹板区域，最大应力集中在翼板与腹板交接部位，为187MPa；上下腹板应力分布的不对称性，是导致Z方向弯曲的主要原因。应力重分布云图-正面长梁类结构件应力重分布规律3.1典型梁类零件变形控制对比“分层”去除材料和“分区域”去除材料对加工变形的影响，分层去除材料能有效减小长梁类结构件变形。分区域去除材料变形云图分层去除材料变形云图

变形量（mm）“分区域”去除材料“分层”去除材料X方向0.1640.157Y方向0.3380.287Z方向0.3130.248最大变形量0.51330.352不同的铣削策略对变形的影响3.1典型梁类零件变形控制半框整体件XX-14425-200结构尺寸图有限元建模方式与长梁件建模方式相同；半框件整体变形主要发生在局部刚度较弱的两侧翼。简化半框结构件整体变形云图半框结构件变形的有限元建模3.2典型框类零件变形控制（a）侧翼下垂变形（b）侧翼上翘变形半框类结构件变形云图（×200）沿Y方向，相对于设计尺寸出现下弯变形，最大下弯量为0.63mm，即为在X方向出现内缩变形趋势；沿Z方向，相对于设计尺寸有上翘变形，最大上翘量为0.99mm。侧翼的变形主要分两个方向：半框结构件变形分析3.2典型框类零件变形控制简化半框件应力分布云图简化半框结构件仿真预测变形趋势与实际测量结果相吻合，仿真计算误差约为28%；半框梁应力集中区域在两侧翼板与中间腹板交接部位，最大Mises应力为104MPa，该部位的应力集中，是导致翼板内缩弯曲和上翘变形的主要原因。实验测定量仿真计算量X方向d设计尺寸（mm）2300.00002690.0000变形后d测量值（mm）2299.81162689.7253△d变形值（mm）0.18840.2648半框结构件变形分