衬套薄壁零件加工变形的控制方法技术

本发明专利技术提出的一种衬套薄壁零件加工变形的控制方法，旨在提供一种有效地控制铝合金薄壁类零件加工变形,使其变形在可控制范围内，具有质量稳定可靠的变形控制方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：采用有限元分析模型文件和仿真模块进行应力有限元分析和应力应变状态趋势进行分析，用分块二阶20节点六面体单元进行网格划分，找到具体变形区域及变形量；选取变形最小的方案，制定工艺加工方案；进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，将外圆、内孔圆度控制在0.02mm内。数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长。本发明专利技术解决了衬套薄壁零件加工难题，合格率可提高到90％以上。

【技术实现步骤摘要】
衬套薄壁零件加工变形的控制方法
本专利技术涉及一种控制衬套薄壁零件变形的方法，尤其是高精度铝合金薄壁类零件加工变形的控制方法。
技术介绍
随着航空工业的发展,高强度铝合金薄壁件得到了广泛的应用。但是该类衬套薄壁零件在加工过程中受力容易变形,加工后的衬套薄壁零件不容易达到质量指标要求。铝合金薄壁件在切削过程中,如何消除和减少，有效制约该类衬套薄壁零件的加工变形是航空制造过程中一项备受关注的课题，现有加工技术不能从根本上解决该类问题。衬套薄壁零件是航空产品中较常见的一类衬套薄壁零件,其结构通常较复杂,精度要求高，加工工艺性差。铝合金薄壁类零件一般尺寸大而截面积较小,加工余量大但刚度较低,在加工中容易出现变形。比如材料为2A12-T4航空产品某重点关键部件中的一个轴类衬套零件,直径较大,壁薄而密封环形槽多,形位公差要求高,，因切削加工应力的存在,加工变形不可避免。发动机部分轴承衬套直径大于Ф70,外轮廓尺寸相对截面尺寸较大,内腔有至少两处不规则贯穿槽和不通槽组成的，而且采用铝制的轴承衬套槽壁厚最薄处只有1.5～1.65mm。加工中余量大,刚度低。发动机工作过程中轴承衬套承受载荷大、磨损严重，磨损铝粒易引起发动机滑油铝含量超标故障。为了降低和预防滑油铝含量超标故障，现有技术通常采用在原铝制轴承衬套表面覆盖一层硬质阳极氧化层。轴承衬套的内孔与外圆尺寸精度及同轴度要求高，由于轴承衬套的硬质阳极氧化加工受条件限制，在附件机匣装配轴承衬套后不能进行硬质阳极氧化处理，而必须将轴承衬套尺寸精加工到最终尺寸进行硬质阳极氧化后装配。硬质阳极氧化层不能进行车、镗削等机械加工，只能进行微量研磨的镀层。在加工过程中，铝合金结构薄壁件轴承衬套因其衬套薄壁零件内孔与外圆的同心度为0.01，壁厚差不大于0.01，制造难度大，加工极易变形，变形极难控制。根据薄壁零件在加工中的变形是不可避免的现象，采用正确的加工方法使其变形控制在有效的范围内，是工艺需要解决的问题。在航标薄壁标准中规定，对于薄壁零件的非配合尺寸在受力装配情况下能够恢复衬套薄壁零件设计图要求值并满足装配要求时，允许多截面平均值法进行测量。这就说明了薄壁零件的变形问题是较难避免的，但是该标准并不能满足实际使用需要。薄壁零件的变形主要因素包括：1.装夹因素。通常加工中一般采用三爪卡盘装夹，应力较大，易产生较大的弹性变形，使工件的尺寸公差和形位公差偏离预期目标；在铣中心精加工内孔、外圆。保证内孔与外圆的同心度0.01,圆柱度0.015，壁厚差不大于0.01。一次装夹加工外形面，各台阶面及内孔、外圆，因加工时的夹持力、加工应力未释放，当衬套薄壁零件切除衬套薄壁零件夹持部分后，应力释放，造成衬套薄壁零件变形，尺寸公差和形位公差不能保证。以薄壁铝合金衬套类零件车内孔为例，镗孔时，衬套薄壁零件采用软卡爪装夹，由于径向夹持力的作用，衬套薄壁零件受三个卡爪不规则作用力，产生椭圆状或者梨状变形。加工完成卸下工件后，由于撤销了径向力，工件弹性应力释放，工件外圆变形局部恢复，部分塑性变形导致工件内孔、外圆呈现不规则的椭球形，偏离加工要求。套内衬套薄壁零件通常采用的加工方案，其流程为：车工粗加工将内孔多余余量去除。车铣中心夹持衬套薄壁零件加工外圆、内孔及衬套薄壁零件其他结构一次加工成形，因夹持应力和加工应力的存在，不能有效解决上诉影响变形因素。对于尺寸精度和形位公差要求高的尺寸不能保证。实际加工中，衬套薄壁零件的加工合格率为零。2.加工应力大，铝合金衬套薄壁零件外形不规整。由于薄壁件直径大于Ф70mm，壁厚仅1.5-3mm，有些甚至只有1mm以下，内孔为中空形式，在车刀径向切削力的作用下，工件产生共振和谐振，产生较大应力，严重影响铝合金衬套薄壁零件的设计尺寸和光洁度等要素。在切削时，类似断续加工，切削冲击力较大，导致严重的应力变形。采用UGNX有限元分析模型文件和NX高级仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析可以看到，衬套薄壁零件在半精加工，加工内圆槽时，在不考虑衬套薄壁零件加工热效应的情况下，产生的加工应力变形沿衬套薄壁零件外圆呈曲线变化，最大位移变形已超过0.0376mm；塑性不可恢复变形集中于槽附近，加工产生的等效应力也集中于槽附近。单独分析切断模型时，产生更大的应力变形，最大达0.0525mm，因此精加工时必须改变夹紧方式。德国工程力学家VonMises应力为按第四强度理论(物体某点达到最大应变能密度，材料发生屈服)计算物体复杂应力状态的应力值σs为对坐标轴的单向正应力，该复杂应力状态与在相同应力值σs下的纯单向拉伸变形具有等效的应力能。在此单向拉伸状态下，材料发生的塑性应变为上述复杂应力状态下的vonmises等效塑性应变。德国工程力学家VonMises于1913年提出的VonMises屈服准则。VonMises屈服准则用圆形屈服曲线(圆柱)代替了法国工程学家Tresca于1864年提出的“按最大切应力状态(第三强度理论)发生屈服”的Tresca屈服准则的正六边形(正六棱柱)，且更能符合金属材料的实验结果。应变为三个分量，分别为位移(材料某一点发生的绝对变形量，单位mm)对坐标的偏导数，指材料某一点相对于原位置的变形变化率，单位mm/mm。根据分析，加工槽时，材料的不可恢复变形集中于槽附近。3.铝合金加工时发热量大。刀尖和工件产生的热量不能及时被铁屑带走，在衬套薄壁零件表面产生极大的切削热，使工件发生高温变形，冷却后导致尺寸超差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术状态衬套薄壁零件加工变形大，变形极难控制的问题，提供一种在进行硬质阳极化前，有效地控制铝合金薄壁类零件加工变形,使其变形在可控制范围内，具有质量稳定可靠的变形控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种衬套薄壁零件加工变形的控制方法，其特征在于包括如下步骤：1)采用UGNX有限元分析模型文件和NX仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析和加工切削的应力应变状态趋势进行分析，将衬套体分割成若干单一的拉伸几何体，对这些几何体使用二阶20节点六面体单元进行网格划分，然后根据车削加工负载对应的切削力，施加载荷于衬套薄壁零件切断位置处，进行全局敏感度分析，得到精加工切断各个时间步的应力曲线分布，找到具体变形区域及变形量；2)分析结果值按从最小值到最大值排列，选取变形最小的方案，将有限元分析及消除加工应力试验纳入工艺规程，确定工艺路线，制定工艺加工方案：针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，先在衬套薄壁零件内孔中铣出贯穿槽和不通槽，车削内圆槽，进行半精加工后再精加工出衬套薄壁零件的外圆；3)进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，将外圆、内孔圆度控制在0.02mm内。数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长；4)在数控机床上采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，在轴向施加夹持力，夹具阶梯芯轴与工件内孔配合，工件一端与阶梯芯轴的非配合外圆的端面无缝接触；实心夹持部分长度为衬套薄壁零件长度尺寸1.5倍，直径尺寸在衬套薄壁零件尺寸60％-80％以上，软爪夹持夹具压力0.5MPa以内，使衬套薄壁零件在径向不受力，数控车实心夹持部分。本专利技术较现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种衬套薄壁零件加工变形的控制方法，其特征在于包括如下步骤：1)采用UGNX有限元分析模型文件和NX仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析和加工切削的应力应变状态趋势进行分析，将衬套体分割成若干单一的拉伸几何体，对这些几何体使用二阶20节点六面体单元进行网格划分，然后根据车削加工负载对应的切削力，施加载荷于衬套薄壁零件切断位置处，进行全局敏感度分析，得到精加工切断各个时间步的应力曲线分布，找到具体变形区域及变形量；2)分析结果值按从最小值到最大值排列，选取变形最小的方案，将有限元分析及消除加工应力试验纳入工艺规程，确定工艺路线，制定工艺加工方案：针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，先在衬套薄壁零件内孔中铣出贯穿槽和不通槽，车削内圆槽，进行半精加工后再精加工出衬套薄壁零件的外圆；3)进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，将外圆、内孔圆度控制在0.02mm内；数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长；4)在数控机床上采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，在轴向施加夹持力，夹具阶梯芯轴与工件内孔配合，工件一端与阶梯芯轴的非配合外圆的端面无缝接触；实心夹持部分长度为衬套薄壁零件长度尺寸1.5倍，直径尺寸在衬套薄壁零件尺寸60％‑80％以上，软爪夹持夹具压力0.5MPa以内，使衬套薄壁零件在径向不受力，数控车实心夹持部分。...

【技术特征摘要】
1.一种衬套薄壁零件加工变形的控制方法，其特征在于包括如下步骤：1）采用UGNX有限元分析模型文件和NX仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析和加工切削的应力应变状态趋势进行分析，将衬套体分割成若干单一的拉伸几何体，对这些几何体使用二阶20节点六面体单元进行网格划分，然后根据车削加工负载对应的切削力，施加载荷于衬套薄壁零件切断位置处，进行全局敏感度分析，得到精加工切断各个时间步的应力曲线分布，找到具体变形区域及变形量；2）分析结果值按从最小值到最大值排列，选取变形最小的方案，将有限元分析及消除加工应力试验纳入工艺规程，确定工艺路线，制定工艺加工方案：针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，先在衬套薄壁零件内孔中铣出贯穿槽和不通槽，车削内圆槽，进行半精加工后再精加工出衬套薄壁零件的外圆；3）进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，将外圆、内孔圆度控制在0.02mm内，数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长；4）在数控机床上采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，在轴向施加夹持力，夹具阶梯芯轴与工件内孔配合，工件一端与阶梯芯轴的非配合外圆的端面无缝接触；实心夹持部分长度为衬套薄壁零件长度尺寸1.5倍，软爪夹持夹具压力0.5MPa以内，使衬套薄壁零件在径向不受力，数控车实心夹持部分。2.如权利要求1所述的衬套薄壁零件加工变形的控制方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：向巧，向苏林，崔波，罗国彬，郑海凌，
申请(专利权)人：中国人民解放军第五七一九工厂，
类型：发明
国别省市：四川;51