航空薄壁件原位檢測與補償加工方法研究

王 剛，童 剛，毛金城，李文龍

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074）

航空薄壁件原位檢測與補償加工方法研究

王 剛，童 剛，毛金城，李文龍

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074）

航空結構件、航空葉片等薄壁零件是航空制造的關鍵零件，具有若剛性、材料難加工、工藝優化不足等特點，其加工精度難以控制。針對航空薄壁零件的在機測量與誤差補償方法展開研究，針對規則航空薄壁零件提出均值誤差補償方法，并在此方法的基礎上延伸為針對自由曲面的分段誤差補償方法，最后對航空葉片進行了數控加工、原位檢測及補償加工實驗，實驗結果表明，補償前后誤差區間從0.15 mm～0.35 mm縮小到了-0.04 mm～0.06 mm，驗證了分段誤差補償方法在加工幾何偏差控制上的效果。

航空；薄壁零件；在機測量；補償加工

航空薄壁零件廣泛應用于飛行器的各個部件中，其精密加工技術是提高航空產品加工精度和效率的關鍵。這類零件加工過程中精度難以控制，主要體現在：（1）具有弱剛性，一般為懸臂結構，壁厚很薄，加工中易引起彈性變形，導致航空薄壁件加工偏差難以控制；（2）材料難加工，該類零件通常采用鈦合金、高溫合金、高強度鋁合金等難加工材料，鈦加工過程中活性高易產生硬脆氧化層加劇刀具磨損；（3）工藝優化不足。加工效率較低，對鈦合金、超硬鋁、高溫合金等難加工材料的加工，由于缺乏先進加工工藝的指導，目前使用的加工方法普遍比較保守，提高了加工的時間成本。針對以上問題，如何預測和抑制零件加工變形，并對工件變形進行補償一直是學術界研究的熱點。

切削變形是加工過程中的不可避免的難題，在變形機理上，Nachbagauer提出利用數值模擬的思想，建立切削力的理論模型，工件在切削力的作用下，產生彈性變形，使得刀具無法切削到理論的位置，借助有限元軟件實現對彈性變形的模擬[1]。Hlandt通過對材料的性能進行深度分析，并通過大量試驗，分析不同材料的工件在加工過程中的變形趨勢[2]。金超認為工件在切削熱的影響下會產生塑性變形，并在試驗中安裝熱傳感器，建立切削熱-變形的模型[3]。學術界對變形的機理研究各有特點和側重，但主要的還是集中在對“力—變形”這一系統進行研究[4-6]。加工過程中出現的種種因素都將對薄壁零件最終的加工質量造成影響，同時各因素相互耦合，簡單的提取一兩項因素進行深度分析都將面臨巨大的工作量。為了提高薄壁零件的加工精度，國內外學者從不同的角度對工藝系統進行改造和優化，干預變形過程。西北工業大學的王婧超等通過對模型結構優化設計，合理的結構能夠抵御一部分刀具的作用力，在不增加零件的厚度條件下提升零件的剛性，從而減小彈性變形[7]。An等研究切削速度對薄壁變形的影響，在高速切削條件下，避開薄壁零件的共振頻率，單次切削能有效減少刀具與工件表面的作用時間，減少切削沖量，提高效率的同時減小變形[8，9]。北京航空航天大學李忠群等通過建立切削的有限元系統，輸入適當的邊界條件，仿真整個切削過程，根據仿真結果預測真實切削發生變形，找出引起變形的主要因子，并在實際加工中對其削弱[10，11]；陳蔚芳等人開發了一套加工變形快速仿真平臺，通過對影響加工變形的因素進行集成化仿真，得到優化的加工參數，提高加工質量[12]。

當前的研究在誤差變形預測上主要利用有限元仿真的手段，這是一個成本低效率高的方法，然而精確的邊界條件獲取是一個難題，仿真的結果并不能直接用于指導補償加工。原位檢測技術是一種隨著機床和測量技術發展而興起的技術，是相對于典型三坐標測量機使用的離線測量方法的一種測量方案[13]。相對于以上傳統測量手段及方案，原位檢測具有以下優勢和特點：

（1）測量自動化，無需對工件進行二次裝夾。直接利用數控機床本體和機床測頭即可完成三坐標測量機的測量過程，特別是對大型工件或者精密零件來說，為了進行高精度的測量來回轉運的成本太高，而原位檢測技術正是彌補了這一短板。

（2）加工-測量自動切換。將測量的定位精度提升到了微米級深知亞微米級，在高精密的機床上使用可以和普通的三坐標測量機相媲美[14]，在加工過程中隨時自動切換到測量模式，對工件進行快速測量，為精密零件的質量控制帶來契機。

（3）模型重建。引入測量坐標系，定義測量坐標系與加工坐標系相對位置關系，由于數控加工中加工坐標系與CAD模型坐標系具有精密的聯系，因而可將三個坐標系進行統一起來，建立CAD、工件、誤差模型的關聯，進行所需的數據分析。

補償加工技術僅過了多年的發展，對提升加工質量的提升取得了很多重要理論和成果[15-17]，但在實際應用上還存在一些不完善之處。

本文針對以上航空薄壁件加工的幾何變形的背景，對薄壁件變形量的原位檢測和補償加工兩個方面作為研究的出發點，探索出一種能夠適用于航空薄壁件原位檢測與補償方案，達到能隨時量化加工過程中薄壁件的加工偏差，并對偏差施以補償，最終提高薄壁件的加工精度和效率的目的，最后通過實驗驗證了該方法的有效性。

1 薄壁件補償策略

1.1 一般規則薄壁件加工代碼均值偏差補償

首先考慮航空領域最為常見的規則特征的薄壁件，如平面、規則曲面零件，其加工后變形規律為整體向一個方向發生了傾斜或者偏移，如圖1所示，通常剛性弱的一段變形量大于剛性好的一端，即懸臂結構的根部到頂部偏差逐步擴大化，測點的分布如圖2所示。

圖1 規則特征變形示意圖

圖2 測點的分部

在圖1中，yi是理論點位置，xi是實際加工測量得到的對應點的位置，對于薄壁平面件及規則曲面件，加工后產生的偏差用公式表達為：

式中向量ei為理論點與實際點的偏差，對圖2的測點的數據進行統計排列，得到圖3中所示的折線，可以看出整個測點的誤差分布在一個偏差帶的范圍內。

圖3 規則薄壁件分布規律

根據實際的分析，偏差分布帶ε與余量δ的比值為：

因此可以認為偏差的分布在一個相對較窄的區域，在考慮到機床的誤差的條件下，可以將總體分布的偏差均值σ作為評價偏差的標準，記作：

根據所有的點均值偏差，修改精加工的數控代碼，使新的加工路徑能夠抵消大部分綜合誤差引起的變形。由于半精加工與精加工選用完全相同的加工工藝參數以及同一把刀具，在切削量較小的條件小，可以忽略刀具微小磨損對切削變形的影響，同時由于半精加工、精加工的切削量減小，工件薄壁厚度的變化對工件剛度的影響也可以忽略，通過實際的加工試驗已經得到驗證，可以得出在精加工中工件變形的趨勢及變形量將與半精加工趨近相同的結論，因此將半精加工的變形量作為精加工理論補償量比較合適的。

對于理想的補償加工，根據精確的測量半精加工后的偏差，然后對精加工時施加一個反向的偏差的，使得精加工的走刀軌跡能夠補償掉半精加工的偏差，如圖4所示的理想補償方法，根據上述分析結果，實際操作中簡單薄壁件的補償如圖5所示。

圖4 理想偏差補償原理圖

圖5 實際偏差補償原理圖

均值偏差策略思想就是將原始的精加工刀具軌跡在發向上平移一個值，如圖6到圖7的變化，而以均值偏差作為補償值的參考值，在此基礎上引入一個補償系數λ，不同的材料和特征對應補償系數λ不盡相同，進行N次迭代可以得出該種特征下的最優。原始的精加工刀具軌跡和補償后的刀具軌跡，對比可知，補償后對原始的軌跡在進給部分沿著法相方向作了一個整體平移，進刀退刀部分采用斜線過渡，避免加工過程中軌跡的突變產生較大的震動，降低加工的精度。

圖6 原始精加工刀具軌跡

圖7 補償后精加工刀具軌跡

1.2 自由曲面薄壁件加工代碼分段補償

相對于1.1節中的均值偏差補償策略適用于規則的平面或曲面，本節的分段補償方法則適用于對自由曲面的情況，對于自由曲面薄壁件，由于各個部位及各個點的偏差分布沒有規律可循，如圖8所示為自由曲面加工后進行的測量偏差分布。直接用均值進行補償可能會導致局部嚴重的過切或欠切，因此需要以規則薄壁件的補償方法為基礎，將每一條軌跡離散為直線段或圓弧段，進行分段修改，達到精確的控制。

圖8 自由曲面偏差分布

實現分段補償的核心之一就是能對NC代碼進行快捷的操作和修改，本文采用的是海德漢數控系統的機床，編碼系統不同于常見的G代碼系列，因此程序必須識別各項指令的含義，才能對其精確的增刪，海德漢系統的代碼定義的命令符為L、C、CC等。

對加工后的數據偏差進行分析，一般存在兩種結果，以正偏差代表的欠切和負偏差代表的過切，側銑加工過程中只需要對刀具進行平移即可實現刀軌的補償。對于直線進給，如圖9所示，點1至點2為直線進給，0-1段和2段之后為進、退刀的非進給行程，不對工件切削作貢獻，只是作為導軌之間的過渡和避障。

圖9 單刀直線運動軌跡圖

設 0-1段直線與X軸向量角為 a1，1-2段為a2，1-2段的垂線為a3，加工中實際的走刀軌跡0-1段的角度為a，即根據a的情況對a1進行修改就可對平面的加工軌跡平移到想要的補償位置，為了避免估計的軌跡突變給機床系統帶來的加速度和躍度過大，可以在之間插入余弦線段進行過渡，避免沖擊帶來加工誤差。據此得到切入切出點的補償后的坐標值，原始軌跡點分別（x1，y1），補償后的點位（x1，′），σ為偏差均值，得到：

對于軌跡是圓弧的情況，如圖10所示，0-1、2-3段為進出刀行程，1-2為進給行程，設0-1段與X軸夾角為β，補償后的夾角為β′，新點的法向方向為βi（i=1，2）.

圖10 圓弧運動單刀軌跡圖

圓弧1-2段均值誤差值為σ，修改后的坐標為

根據上述的推導，在自由曲面加工中通常使用小線段或者小圓弧的逼近方法，因此獲得加工表面的加工偏差后，使用移動最小二乘法擬合和多項式差值，設置差值精度取值與補償的精細程度在同一個量級，將離散點的偏差擴充到整個加工平面。如圖11和圖12所示的補償原理和補償思路，通過離散點補償精加工軌跡。

圖11 分段偏差補償原理圖

圖12 分段偏差補償思路

根據上面的方法，使用移動最小二乘法評估每一條線段上的偏差量，然后進行多項式插值，對每一條小段進行修改，如圖13所示的原始精加工代碼和14所示的修正后的精加工代碼，即可對整個自由曲面進行補償加工。

圖13 原精加工刀具軌跡

圖14 修改后精加工刀具軌跡

2 薄壁件加工-補償實驗

2.1 實驗條件

下面以航空薄壁件的典型零件航空葉片為例，進行在機測量與補償加工實驗。

（1）機床采用瑞士米克朗UCP800Duro五軸聯動高速加工中心，搭載heidenhain iTNC530M，機床重復定位精度0.004 mm.

（2）毛坯：薄壁葉片毛坯選用航空鋁合金7075板材，毛坯尺寸為250 mm×100 mm×40 mm，其中150 mm用于加工葉片部分，50 mm為榫頭，剩余的用于夾持，如圖15所示。

圖15 毛坯及夾具尺寸

（3）定位裝夾方式：由于實驗主要目的是對葉片自由曲面特征的加工過程中的綜合偏差變形進行補償效果驗證，采用普通的通用夾具即可，如圖15所示，沒有添加輔助工裝。

（4）刀具、測頭選用：本實驗粗加工選用平底鎢鋼刀，直徑10 mm，刀長150 mm，刃長50 mm，3刃；半精加工和精加工使用鎢鋼球頭刀，半徑5 mm，刀長75 mm，刃長25 mm，以及加工榫頭、圓角的2.5 mm半徑球頭刀。原位檢測測頭選用雷尼紹RMP40測頭，重復定位精度0.001 mm.刀具和測頭物理參數如圖16和圖17所示所示。

圖16 刀具物理參數

圖17 測頭物理參數

2.2 加工及在機測量實驗

本文從實際質量要求及考慮工件毛坯出發，將加工階段劃分為粗加工-半精加工-精加工三個階段，但又與傳統的三個階段有所區別，具體劃分為：

（1）粗加工：完成傳統粗加工-半精加工任務，去除絕大部分的余量，保證加工效率。

（2）半精加工：粗加工后進行半精加工，設計很小的切削量，為原位檢測做準備。

（3）精加工：精加工設計成與半精加工完全相同的工藝參數并使用同樣的刀具，盡可能的保留半精加工同樣的變形趨勢，使得補償加工的規律能夠得到應用。

為了驗證補償加工的效果，薄壁葉片既是實驗組，也作為對照組，加工參數設計如表1所示，其中粗銑使用平底刀快速去除大部分毛坯余量，半精銑1使葉片加工到光整的表面，半精銑2相當于是帶有余量的精銑，之后進行原位檢測，對NC代碼修正后，對葉片進行精銑工序，結束后再次進行原位檢測，工藝過程及參數如表1所示。

表1 加工參數

加工過程現場圖片如圖18至圖21所示。

圖18 五軸加工

圖19 半精銑1后

圖20 半精銑2后

圖21 精銑后

原位檢測規劃及測量過程。分別在半精銑2和精銑后進行原位檢測，測點分布如圖22所示，葉盆、葉背各分布14×20=280測點，以此從葉頂到葉根，點集從1～20，每個點集14個點，測量過程如圖23所示。

圖22 測點分布

半精加工后測點數據分析。按照點集分布次序，統計結果如圖24所示。

圖24 半精加工后葉片偏差分布

從圖中誤差分布的情況可以得出以下結論：

（1）半精加工后葉片的整體加工變形較大，分布在0.15 mm～0.35 mm的誤差區域內，主要由于工件剛性差且無輔助工裝、加工參數沒有作專門的優化以及其他所有誤差因素綜合引起，與前期加工偏差的經驗數據相吻合。

（2）葉根到葉頂，變形誤差逐漸擴大，頂部加工偏差接近0.35 mm，這部分主要由于頂部厚度為3 mm左右，薄壁結構十分明顯，導致加工過程中“讓刀”現象十分明顯。

2.3 補償加工結果分析

根據半精加工后的測量數據，運用逐行修改精加工數控代碼的原理，將理論精加工代碼和半精加工誤差導入到自行編寫的軟件模塊中，得出補償加工的代碼，如圖25所示。

圖25 精加工代碼補償

導出經過優化補償的精加工代碼后對葉片進行精加工，并進行原位檢測終檢，作為與半精加工的測量數據機型對比，如圖26所示為精加工后原位檢測中終檢過程。

圖26 葉片精加工后在線終檢

根據測點的數據偏差信息繪制如圖27偏差分布折線圖。

圖27 精加工后葉片偏差分布折線圖

數據分布的規律可以得出以下結論：

（1）精加工的偏差分布整體上達到預期的補償效果，從半精加工0.15 mm～0.35 mm的誤差區間縮小到了-0.04 mm～0.06 mm的誤差區間；

（2）精加工后的數據誤差線條與半精加工后相比，光滑程度降低，數據走勢規律性變弱，與補償算法的優化程度有一定關系，為了控制整體的加工偏差，修改每一段加工程序，而相鄰兩行程序間的過渡與銜接需要進一步優化。

3 總結

本文針對航空薄壁零件的在機測量與補償加工策略展開研究，提出了一種針對一般規則薄壁件的均值補償方法，并在此方法的基礎上延伸為針對自由曲面的分段誤差補償方法，對典型的自由曲面薄壁件即航空葉片進行了數控加工、原位檢測及補償加工實驗，將半精加工后原位檢測數據與誤差補償后精加工原位檢測的偏差數據對比，實驗結果表明，補償前后誤差區間從0.15 mm～0.35 mm縮小到了-0.04 mm～0.06 mm，驗證了分段誤差補償方法在加工幾何偏差控制上的效果，為其他類型的復雜薄壁零件的補償加工提供參考。

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The Research on On-site Inspection and Compensation Machining Method for Aviation Thin-walled Parts

WANG Gang，TONG Gang，MAO Jin-cheng，LI Wen-long
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China）

Thin-wall parts，such as aviation structures and blades，are key parts of aviation manufacturing，with weak rigidity，difficult machining，complex shape and other technical features.The machining accuracy is very difficult to control for thin-wall parts.This article researched on the on-site inspection and compensation machining method for aviation thin-walled parts，and purposed a mean error compensation method of rule characteristics of thin-walled.Based on this method，segmented compensation method for fine machining of free-form surface characteristics of thin-walled is furtherly purposed.Finally，the experiment of on-site inspection and compensation machining of an aviation blade is executed.After compensation machining，the machining error burst is reduce from 0.15 mm～0.35 mm to-0.04 mm～0.06 mm.The experiment verified that segmented compensation method is effective to reduce the machining error of thin-wall parts.

aviation；thin-walled parts；in machine measurement；compensation machining

V261

A

1672-545X（2017）10-0056-08

2017-07-06

國家自然科學基金資助項目（91648111，51635007）；國家973研究計劃（2015CB057304）；武漢市應用基礎研究計劃（2017010201010139）

王 剛（1992-），男，山東聊城人，博士研究生，主要研究方向為曲面原位檢測與補償加工；童 剛（1990-），男，湖北黃岡人，工學碩士，主要研究方向為原位檢測路徑規劃與誤差補償方法；毛金城（1982-），男，湖北荊門人，工學博士，博士后，主要研究方向為工業檢測與機器人操作；李文龍（1980-），男，山東青島人，工學博士，副教授，主要研究方向為航空葉片檢測、機器人操作。