劉雪麗，王宇航，李超然，李彩紅，張晟瑋，孫劍飛，3

（1. 中國航發(fā)航空科技股份有限公司，成都 610503；2. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；3. 北京航空航天大學(xué)江西研究院景德鎮(zhèn)分院，景德鎮(zhèn) 333000）

導(dǎo)軌梁是發(fā)動機(jī)外涵道反推裝置的重要組成部分[1]，其主要作用是推動滑出外涵道，將燃?xì)饬骰蝻L(fēng)扇出口的空氣流轉(zhuǎn)折成一定角度，斜向前方45°噴出，產(chǎn)生與飛機(jī)飛行方向相反的推力，以達(dá)到縮短飛機(jī)著陸滑行距離的目的[2-3]。導(dǎo)軌梁模型如圖1所示。在飛機(jī)降落過程中，導(dǎo)軌梁上的吊耳等部位將會承受反推裝置重力、高速飛行時的風(fēng)阻力、推出后與飛機(jī)形成的振動，以及反復(fù)推出、收回的摩擦力等。

導(dǎo)軌梁屬于典型的大尺寸薄壁零件，具有剛性低、材料去除率大等不利于銑削加工的特點，有必要對其加工變形量進(jìn)行預(yù)測和控制[4]。為了獲取毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力分布模型，預(yù)測材料去除產(chǎn)生的加工變形規(guī)律，本文將對ZL116 鑄造鋁合金毛坯關(guān)鍵表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，對其材料去除階段進(jìn)行加工變形仿真，通過仿真變形結(jié)果提出合理的加工工藝改進(jìn)方案，為企業(yè)實際生產(chǎn)提供合理有據(jù)的幫助。

1 零件加工工藝分析

1.1 研究對象分析

圖2 所示為導(dǎo)軌梁零件的A基準(zhǔn)面 （A面）、B面、三角框 （C面）內(nèi)外側(cè)3 個主要加工表面，該零件具備幾個尺寸特征：整體尺寸大，長度跨度為1450 mm；B面為垂直于A面的平面，且內(nèi)部需要加工主、副導(dǎo)軌槽；對位置精度要求較高；壁厚較小、加工去除余量大，精加工后零件最薄處僅為3 mm，主要加工表面材料去除比率大于50%；空腔結(jié)構(gòu)不對稱，B面的背面布滿加強(qiáng)筋等，鑄造應(yīng)力大且分布不均，在材料去除過程中易因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生較大的加工變形[5-6]。

圖2 導(dǎo)軌梁主要加工表面Fig.2 Main processing surface of guideway beam

1.2 零件工藝分析

本文主要研究內(nèi)容為導(dǎo)軌梁毛坯階段3 個區(qū)域的主要加工工藝流程，如圖3所示，即加工A面 （誤差< 0.1 mm）、加工B面 （誤差< 0.5 mm）、加工C面內(nèi)外側(cè)（誤差< 0.5 mm ）。

圖3 零件加工工藝流程Fig.3 Process flow of parts processing

1.3 加工難點分析

材料的去除過程中，毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力逐步釋放和重分布產(chǎn)生加工變形，A面作為后續(xù)加工過程的基準(zhǔn)，其產(chǎn)生的加工變形必然會影響到下一加工部位的加工精度，因此其在整個導(dǎo)軌梁的加工過程中最為關(guān)鍵；在加工A面的同時去除了部分C面外側(cè)的材料，隨后進(jìn)行C面外、內(nèi)側(cè)的材料去除，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，C面外側(cè)加工后超差率較高，需要同時關(guān)注這兩個部位的加工變形情況；B面作為導(dǎo)軌梁中最大的平面，跨度極大，其平面度與A面的垂直度難以保證。

1.4 零件簡化與子結(jié)構(gòu)分割

在不影響殘余應(yīng)力測量和材料去除仿真結(jié)果的前提下，為了方便構(gòu)建仿真模型，避免仿真過程中的不收斂情況，在原始模型中刪除后續(xù)加工步驟中生成的特征，如孔、圓角、倒角、密封槽等，同時也刪除一些對全局分析無明顯影響的無規(guī)則特征。零件模型簡化前后的對比如圖4 所示。

圖4 零件模型的簡化Fig.4 Simplified part model

由于零件毛坯尺寸跨度較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)一步簡化研究對象，圖5（a）中圈注的部位不屬于上述研究對象，本身不涉及加工，其內(nèi)部殘余應(yīng)力并不會引起加工B面時產(chǎn)生的加工變形，因此這一部分不作為后續(xù)研究對象，在三維模型中將此部位拆分出去，為了保證試驗中的毛坯與簡化模型一致，用線切割將此部分切下，簡化后的模型如圖5（b）所示。

圖5 子結(jié)構(gòu)分割示意圖Fig.5 Schematic diagram of substructure division

由于第1 步加工的A面和后續(xù)加工的C面位于B面的一端，雖然在工藝基準(zhǔn)和尺寸要求上相互關(guān)聯(lián)，但從加工變形的角度分析，加工A面產(chǎn)生的變形不會影響B(tài)面產(chǎn)生變形，只會對后續(xù)加工的基準(zhǔn)產(chǎn)生影響，同時，加工B面產(chǎn)生的變形對A面產(chǎn)生的影響也微乎其微。而A面和C面存在明顯的關(guān)聯(lián)性，其結(jié)構(gòu)相連，加工過程產(chǎn)生的變形也必然相互影響。因此，為了同時關(guān)注兩個部位的加工變形情況，便于進(jìn)行加工表面的殘余應(yīng)力測量和后續(xù)的仿真計算，在此引入子結(jié)構(gòu)法，將導(dǎo)軌梁的C面和A面連接部分從導(dǎo)軌梁的整體中獨立成1 個子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，三維模型中的分割位置如圖5（c）所示，左側(cè)為后續(xù)研究的子結(jié)構(gòu)，為了保證試驗中的毛坯與簡化模型一致，利用線切割將實際毛坯沿此模型中的分割區(qū)域切開。

2 零件毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力測量

2.1 試驗設(shè)備和儀器

試驗使用的儀器設(shè)備主要有Prism 殘余應(yīng)力測量儀及數(shù)控加工中心VL-866。Prism 殘余應(yīng)力測量儀如圖6所示。鉆孔是最常用的通過應(yīng)力釋放來測量殘余應(yīng)力的方法[7]。通過在指定材料表面鉆一個小盲孔，小孔周圍會自發(fā)地建立一個新的應(yīng)力平衡，使孔附近表面發(fā)生位移與形變，通常采用貼應(yīng)變片來測量表面發(fā)生的變化。本文采用Prism 電子散斑干涉鉆孔殘余應(yīng)力測量儀 （芬蘭Stresstech group 公司）來測量毛坯表層的殘余應(yīng)力，該設(shè)備基于鉆孔法，并結(jié)合數(shù)字成像和電子散斑干涉技術(shù) （Electronic speckle pattern interferometry，ESPI），相比其他殘余應(yīng)力測量設(shè)備，Prism 采用最新的ESPI 技術(shù)，單層測量時間小于5 min，測量絕對誤差小于7 MPa，相比于傳統(tǒng)貼應(yīng)變片的鉆孔法，省去了貼應(yīng)變片的時間和設(shè)備調(diào)試時間，而基于電子散斑的非接觸式測量原理，排除了傳統(tǒng)測量的諸多干擾因素，鉆孔與測量全程由電腦控制，極大提高了測量效率和測量精度。同時，Prism 的鉆孔系統(tǒng)可用于多種晶體、非晶體及單相和多相材料。

圖6 Prism 殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)Fig.6 Prism residual stress measurement system

2.2 測量原理與區(qū)域劃分

在試驗過程中，由于Prism 殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)單次測量深度最大為2 mm，為獲得導(dǎo)軌梁毛坯各個加工面上大于2 mm 深度的殘余應(yīng)力，需采用剝層法，剝層所使用設(shè)備為數(shù)控加工中心VL-866。由于每一次剝層后，零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力都會因材料去除而重新分布，因此只有第1 層測量的殘余應(yīng)力才是初始?xì)堄鄳?yīng)力。在測量余下部分的殘余應(yīng)力時，此時零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力不再是初始?xì)堄鄳?yīng)力，所測得殘余應(yīng)力需要進(jìn)行修正。該測量方法是對某局部范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值進(jìn)行測量，而且在不同深度的殘余應(yīng)力是逐層測量，因此在測量點的殘余應(yīng)力可以看作是按層分布。首先利用Prism 激光干涉儀測量前2 mm 深度方向的殘余應(yīng)力，然后采用局部剝層法，將小孔周圍的材料去除，剝層厚度為2 mm，再利用Prism 激光干涉儀從剝層后的2 mm 深度處開始測量，此時測量2 ～ 4 mm 深度的殘余應(yīng)力，如此循環(huán)操作完成0～6 mm 厚的零件毛坯殘余應(yīng)力測量。由于采用局部剝層法，剝層區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殘余應(yīng)力劃分區(qū)域，因此對剝層后獲得的殘余應(yīng)力不再予以修正。

2.2.1 測量過程

在本試驗中，被測材料為ZL116 鋁合金，其彈性模量為70000 MPa，泊松比為0.39[8]。Prism 殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)單次測量具體過程如下。

（1）首先按照指定順序打開各個設(shè)備，將儲氣罐沖壓，激光發(fā)生儀預(yù)熱10 min，使激光發(fā)生器的功率穩(wěn)定。

（2）安裝待測零件，調(diào)試零件位置，將零件待測表面垂直對準(zhǔn)鉆頭，并手動進(jìn)給主軸，檢查鉆頭行程是否能夠完成整個盲孔深度的測量。

（3）打開輔助照明設(shè)備，調(diào)整攝像頭、激光發(fā)生儀角度并對焦。

（4）對刀。設(shè)定待測零件測量表面處于零點位置，并進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置和光學(xué)設(shè)置。

（5）測量。電腦自動控制進(jìn)給與干涉圖形的拍攝工作，根據(jù)進(jìn)給設(shè)置參數(shù)，鉆頭每鉆到設(shè)定深度，都會進(jìn)行拍照，并留下當(dāng)前深度下孔周圍表面的散斑圖，測量現(xiàn)場如圖7 所示，殘余應(yīng)力測量參數(shù)如表1 所示。

圖7 殘余應(yīng)力測量現(xiàn)場Fig.7 Scene of residual stress measurement

表1 殘余應(yīng)力測量參數(shù)Table 1 Parameters of residual stress measurement

（6）測量結(jié)束分析計算數(shù)據(jù)，通過對比各個深度拍照得到的散斑圖，求解不同深度X、Y方向和切向的殘余應(yīng)力分布。

為了較好地表征待測零件的殘余應(yīng)力，以特征為參考將測量表面分成若干個測量區(qū)域，用測點處所測得的深度方向殘余應(yīng)力代表該區(qū)域同一深度的平均殘余應(yīng)力。由于A、C面緊鄰且有相同平面，故在下文的試驗分析過程中將A、C面放在一起討論。

2.2.2A、C面區(qū)域劃分

理論上，同一測量面上選取的測量點越多，區(qū)域劃分越密集，其平均殘余應(yīng)力代表整體殘余應(yīng)力就越精確?？紤]測量效率和時間，將A、C面分為12 個測量區(qū)域，測量區(qū)域劃分及測量點的選取如圖8（a）所示。該測量法是對某局部范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值進(jìn)行測量，而在不同深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力為逐層測量。

圖8 測量區(qū)域劃分及測點位置選取Fig.8 Division of measuring area and selection of measuring point location

2.2.3B面區(qū)域劃分

將B面分成8 個測量區(qū)域，區(qū)域的劃分和測量點的選取如圖8（b）所示。

2.3 測量結(jié)果與分析

測量完成后，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行求解計算，每個測點的單次測量深度為2 mm，在2 mm 的深度范圍內(nèi)，將殘余應(yīng)力測量層分為4 層，每0.5 mm 得到一組X向和Y向的殘余應(yīng)力測量數(shù)據(jù)。導(dǎo)軌梁A面和B面的加工余量為3 mm，C面的加工余量為9 mm，A面和B面的毛坯狀態(tài)壁厚為9 mm，C面毛坯狀態(tài)壁厚為12 mm，考慮到C面的結(jié)構(gòu)可以近似為內(nèi)外對稱結(jié)構(gòu)，可以將12 mm 壁厚的中性層作為對稱面，其剩余6 mm未測得的殘余應(yīng)力層等效為已測6 mm 殘余應(yīng)力的對稱應(yīng)力，這樣就可以獲得C面毛坯整個區(qū)域的全部應(yīng)力狀態(tài)[9]。對于A面的殘余應(yīng)力同樣做對稱等效。由于A面毛坯壁厚為9 mm，將其分為6 層，分別為2 mm、2 mm、0.5 mm、0.5 mm、2 mm、2 mm，殘余應(yīng)力測量深度為4.5 mm。這樣的等效處理可以大幅減少測量所花費的時間提高試驗效率，且要處理的數(shù)據(jù)也相應(yīng)減少。B面毛坯壁厚9 mm，如果在已測量6 mm 深度的前提下進(jìn)行4 ～ 6 mm 深度的剝層，然后測量6 ～ 8 mm 深度的殘余應(yīng)力，其剩余壁厚僅剩1 mm，Prism 測量系統(tǒng)是基于盲孔法測量，其測量結(jié)果將不準(zhǔn)確；同樣剝層次數(shù)過多，剝層區(qū)域殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致下一層殘余應(yīng)力重分布產(chǎn)生的累計誤差將不能被忽略。綜上兩點原因，對于剩余3 mm 殘余應(yīng)力層未予以測量。且其為薄板結(jié)構(gòu)，外側(cè)是加工表面，內(nèi)側(cè)連接筋板，越靠近內(nèi)側(cè)越不容易產(chǎn)生加工變形，因此，將剩余3 mm 等效為無應(yīng)力狀態(tài)。

2.3.1A、C面測量結(jié)果

圖9 所示為A、C面各區(qū)域的殘余應(yīng)力測量值。其中A面各區(qū)域平均殘余應(yīng)力基本在-200 ～ 200 MPa 浮動，其中區(qū)域5 和區(qū)域9 深度方向平均殘余應(yīng)力波動較大。區(qū)域5 位于C面與導(dǎo)軌梁主體的過渡部位，且位于A面的中央?yún)^(qū)域，而區(qū)域9 位于A面的邊緣，在后續(xù)的加工變形仿真過程要注意與C面連接部位和邊緣部位的加工變形情況；C面整體殘余應(yīng)力幅值較小，最大殘余應(yīng)力在50 MPa 左右，且沿深度方向呈對稱分布，X方向和Y方向殘余應(yīng)力雖然數(shù)值不同，但分布規(guī)律類似，由于C面材料去除比率達(dá)75%，且內(nèi)外材料均需要去除，其中內(nèi)外交替的去除順序會影響殘余應(yīng)力的演化過程，因此在后續(xù)仿真中需要關(guān)注去除順序不同產(chǎn)生的變形。

圖9 A、C 面各區(qū)域殘余應(yīng)力測量值Fig.9 Residual stress values in each area of plane A and C

2.3.2B面測量結(jié)果

圖10 為B面各區(qū)域的殘余應(yīng)力測量值，這3 個區(qū)域深度方向應(yīng)力波動較大，區(qū)域1 是B面上最遠(yuǎn)離A面的部分，區(qū)域4 和5 分別位于副導(dǎo)軌槽的兩側(cè)，位于B面的中間區(qū)域，從A面各區(qū)域和B面的殘余應(yīng)力測量結(jié)果可以得出，導(dǎo)軌梁兩個平面的中間區(qū)域應(yīng)力波動較大，且應(yīng)力值較大。其原因可能是較大平面上的材料逐漸去除，其中間區(qū)域和邊緣區(qū)域的材料冷卻速度不同，造成其應(yīng)力分布不均或應(yīng)力波動較大。

圖10 B 面各區(qū)域殘余應(yīng)力測量值Fig.10 Residual stress values in each area of plane B

3 零件加工過程仿真及變形預(yù)測

本文采用ANSYS 作為加工變形仿真的分析工具。為了使仿真模型順利收斂，使用非線性分析功能對模型的A面、B面、C面毛坯施加上述測得的初始?xì)堄鄳?yīng)力，模擬材料去除過程，預(yù)測各個加工階段完成后零件的加工變形情況。

3.1 仿真流程

加工變形仿真的主要流程為：將上文中簡化后并分成兩部分的零件毛坯三維模型導(dǎo)入有限元軟件；劃分網(wǎng)格，并將上文所測得的殘余應(yīng)力值代入有限元模型模擬零件的殘余應(yīng)力并施加約束；根據(jù)不同工序創(chuàng)建多個載荷步，每個工序?qū)?yīng)1 個載荷步；使用生死單元法模擬零件在加工過程中的材料去除，其原理就是將每個加工步驟中要去除的材料單元剛度矩陣乘以一個很小的因子，使其各物理參量都趨近于0，不會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響；最后得出加工變形云圖。具體加工變形仿真流程如圖11 所示。

圖11 有限元加工變形仿真流程Fig.11 Process of finite element machining deformation simulation

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1A、C面子結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

子結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)軌梁的A面和C面部分。網(wǎng)格劃分與坐標(biāo)建立如圖12所示。由于殘余應(yīng)力層的厚度決定了劃分單元的大小，所以在劃分網(wǎng)格時，將施加應(yīng)力層部分的網(wǎng)格單元大小劃分為0.5 mm。

圖12 A、C 面子結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.12 Substructure meshing of plane A and C

按照加工工藝中各加工階段的去除余量對加工表面進(jìn)行分層去除，加工順序分為5 個階段： （1） 去除A面1.5 mm 余量； （2）去除A面1 mm 余量； （3）去除A面0.5 mm 余量； （4）去除C面外側(cè)余量； （5）去除C面內(nèi)側(cè)余量。從工藝中可以得出，A面作為后續(xù)加工的基準(zhǔn)面，其Z方向的變形會嚴(yán)重影響后續(xù)加工精度，因此提取每一加工階段后剩余A面在Z方向的變形量，如圖13 所示。

圖13 A 面逐步加工Z 向變形Fig.13 Gradually processed deformation in Z-direction of plane A

從仿真結(jié)果可知，A面材料去除1.5 mm 時，Z方向的變形主要集中在C面連接A面一側(cè)中心區(qū)域和沒有支撐連接的A面弧形邊緣區(qū)域，當(dāng)精加工A面完成后，加工C面時，A面基本不產(chǎn)生加工變形。圖14 為C面材料去除后的加工變形。由于導(dǎo)軌梁的A面是后續(xù)加工基準(zhǔn)面，因此對Z方向加工精度要求較高，圖 15 描述了A面弧形邊緣部位和C面連接A面一側(cè)隨著材料去除最大變形量的變化情況。

圖14 C 面內(nèi)外側(cè)材料去除后的變形Fig.14 Deformation of plane C after removal of internal and external materials

如圖15所示，A面區(qū)域8 和9 在加工階段均比較穩(wěn)定，最大變形量維持在0.1 mm 左右，區(qū)域6 雖然有一定波動，但總體也穩(wěn)定在-0.3 ～ -0.1 mm 之間。因為C面在未加工之前，其毛坯壁厚為12 mm，本身結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，因此C面連接A面一側(cè)的區(qū)域10 在前4 個加工階段時變形量較為穩(wěn)定，在-0.05 mm 左右。在第5 個加工階段，C面連接A面一側(cè)變形量從-0.042 mm 變化到-0.485 mm，其原因可能是第4 階段加工完成后，C面整體應(yīng)力水平較高，C面的最終的保留部分和內(nèi)側(cè)待去除余量部分產(chǎn)生平衡，而零件整體壁厚仍較厚，最薄處為9 mm，第5 階段完成后，隨著C面內(nèi)側(cè)余量去除，C面最薄壁厚僅為3 mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速下降，由于材料的去除是C面連接A面一側(cè)的背面，隨著C面內(nèi)部應(yīng)力平衡被打破，零件朝著相反的方向產(chǎn)生變形，最大變形量為-0.485 mm。

圖15 A、C 面重點區(qū)域Z 向變形量Fig.15 Z-direction deformation of key area of plane A and C

3.2.2B面仿真結(jié)果

B面加工變形仿真流程與3.2.1 節(jié)相同，圖16 所示為B面網(wǎng)格劃分和坐標(biāo)建立。按照加工工藝要求，與實際加工中以A面作為基準(zhǔn)相同，在仿真中對A面施加全約束，分3 個加工階段對B面余量分層去除： （1）去除B面1.5 mm 余量； （2）去除B面1 mm 余量； （3）去除B面0.5 mm 余量。從工藝中可以看出，B面是導(dǎo)軌梁零件中最大的平面，需要在此面加工出主導(dǎo)軌槽和副導(dǎo)軌槽等特征，其對平面度和與A面的垂直度都有很高的要求，因此應(yīng)主要關(guān)注各個加工階段導(dǎo)軌梁在Y方向和Z方向的變形。而仿真結(jié)果顯示，導(dǎo)軌梁在X方向幾乎不產(chǎn)生變形，因此在后續(xù)分析中不予贅述。各加工階段Y方向和Z方向的整體變形情況如圖17 所示。

圖16 B 面網(wǎng)格劃分與坐標(biāo)建立Fig.16 Mesh generation and coordinate establishment of plane B

從圖17 可以看出，在加工導(dǎo)軌梁B面時，導(dǎo)軌梁遠(yuǎn)離A面一端一直存在向Y+方向偏移的變形，粗加工B面完成后，變形量為0.278 mm；半精加工完成后，變形量為0.391 mm，精加工完成后最終穩(wěn)定在了0.388 mm，說明導(dǎo)軌梁的Y方向加工變形主要產(chǎn)生于粗加工階段，其余量去除比率超過50%以后，其遠(yuǎn)離A面一端Y方向的變形相對穩(wěn)定。而對于導(dǎo)軌梁Z方向上的變形，各個階段的變形量均小于0.1 mm，整體變形較小，其原因可能是相對于導(dǎo)軌梁在Z方向的尺寸B面去除的余量尺寸較小，B面的下方是筋板等結(jié)構(gòu)，能夠增加導(dǎo)軌梁在Z方向的強(qiáng)度來抵抗變形，雖然在加工過程中產(chǎn)生了Z方向的微小變形，但能通過加工余量來予以修正。

4 零件加工變形控制工藝方案

零件加工變形控制工藝方案主要針對區(qū)域加工順序、切削參數(shù)、工藝路線等3 個方面[10]。由于導(dǎo)軌梁的3 個加工區(qū)域A、B、C面都屬于較為平整的平面，故工藝路線較為簡單，故延續(xù)粗加工-半精加工-精加工的工藝路線，主要針對前文劃分的殘余應(yīng)力測量區(qū)域進(jìn)行加工順序的調(diào)整。

4.1 A、C 面工藝優(yōu)化方案

A面以及與C面相連面為后續(xù)加工裝夾的基準(zhǔn)，如圖18 所示。因此對該面Z方向的加工變形要求較高。由3.2 節(jié)的仿真結(jié)果可知，原始工藝下，C面的區(qū)域10在最后一道工序完成后產(chǎn)生較大變形，且變形方向朝向已加工表面，若在導(dǎo)軌梁的后續(xù)加工中繼續(xù)以A面作為工序基準(zhǔn)，則會嚴(yán)重影響導(dǎo)軌梁的加工精度，因此需要對現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力獲取試驗得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)，基于去應(yīng)力的加工思想，讓毛坯初始應(yīng)力盡早釋放，以便在加工過程中對其進(jìn)行逐階段修正，達(dá)到使實際加工變形量趨向于最小的目的。由于區(qū)域10 會在所有工序完成時產(chǎn)生Z負(fù)方向的變形，而理論上，在無約束條件下讓零件自由釋放，無論零件各部分材料的去除順序如何，最終零件產(chǎn)生的加工變形情況是近似的[11]，基于這一規(guī)律制定了導(dǎo)軌梁子結(jié)構(gòu)加工改進(jìn)工藝方案，該方案的主要思路是在A面精加工之前，提前完成C面的內(nèi)外側(cè)材料去除，使區(qū)域10 的變形得以釋放，而由于變形方向正好朝向A面一側(cè)，這樣就可以在精加工A面時，修正區(qū)域10 產(chǎn)生的翹曲變形，使其變形量達(dá)到最小，改進(jìn)后的工藝順序為： （1） 去除A面1.5 mm 余量； （2）去除A面1 mm 余量； （3）去除C面外側(cè)余量； （4）去除C面內(nèi)側(cè)余量； （5）去除A面0.5 mm 余量。A、C面Z向加工變形仿真結(jié)果如圖19 所示。

圖18 導(dǎo)軌梁裝夾方案Fig.18 Clamping scheme of guideway beam

圖19 工藝優(yōu)化后變形云圖Fig.19 Deformation diagram after process optimization

計算可得優(yōu)化后的工藝在C面內(nèi)側(cè)材料去除及精加工后變形量為0.081 mm（0.576 mm - 0.495 mm = 0.081 mm < 0.1 mm），遠(yuǎn)小于優(yōu)化前的變形量0.485 mm，滿足A面作為后續(xù)加工基準(zhǔn)的精度要求。

4.2 B 面工藝優(yōu)化方案

B平面上有導(dǎo)軌槽，故對Z方向的起伏及Y方向的變形較為敏感。由圖17 可知，舊有工藝產(chǎn)生加工變形小于B面要求精度，在此做進(jìn)一步的優(yōu)化。已知Y方向的加工變形主要體現(xiàn)在隨著X方向逐漸增大的正向變形，根據(jù)圖17 所示粗加工及精加工后B面Z方向的變形，為保證前一步應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形在后續(xù)加工步驟中被修復(fù)，采取先加工凸起區(qū)域后加工凹陷區(qū)域的方案，粗加工時加工區(qū)域順序為7-8-5-6-3-4-2-1；精加工時加工區(qū)域順序為7-8-6-5-2-4-3-1。

5 結(jié)論

導(dǎo)軌梁是飛機(jī)發(fā)動機(jī)反推裝置的重要組成部分，在材料去除過程中的殘余應(yīng)力重分布是導(dǎo)致零件加工變形的主要原因。本文圍繞變形控制工藝方案優(yōu)化這一目的，對零件毛坯進(jìn)行測量并建模仿真模型，取得了如下成果。

（1）在不影響后續(xù)測量及仿真結(jié)果的前提下，刪除尺寸過小的特征及對于全局無影響的特征，建立零件的簡化模型以減少仿真的計算量。

（2）根據(jù)零件特征、加工流程，將零件毛坯的3 個待加工面進(jìn)行區(qū)域劃分，每個區(qū)域取其形心處的殘余應(yīng)力近似為整體區(qū)域的殘余應(yīng)力。采用打孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，通過逐步剝層獲取各加工面6 mm 深度的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。

（3）分析A、B、C面各區(qū)域的殘余應(yīng)力值，A、B面殘余應(yīng)力幅值基本浮動在200 MPa，C面的殘余應(yīng)力幅值在50 MPa 之內(nèi)。其中殘余應(yīng)力波動較大或幅值較大的區(qū)域大多是兩特征面相交、曲率較大的部位。

（4）建立零件毛坯三維模型，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按區(qū)域?qū)霚y得的毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力數(shù)據(jù)。采用生死單元法模擬零件材料的去除，預(yù)測殘余應(yīng)力重分布規(guī)律和加工變形情況。

（5）分析3 個加工區(qū)域的加工變形仿真結(jié)果，根據(jù)每一步材料去除后的變形結(jié)果對現(xiàn)有工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，提出控制加工變形的加工順序。