大型薄壁筒件數字減薄中的變形自適應補償方法

王成龍 賀永海 孫 杰 劉海波 王永青

設計·工藝

大型薄壁筒件數字減薄中的變形自適應補償方法

王成龍賀永海孫 杰劉海波王永青

（1.大連理工大學機械工程學院，大連 116024；2.西安航天動力機械有限公司，西安 710025）

針對大型薄壁筒件剩余壁厚精準控制難題，研究了一種加工變形自適應補償方法。綜合考慮了整體變形和彈性讓刀變形，基于尺寸關聯對整體變形進行補償，建立了慮及結構變形的刀位補償模型。在此基礎上，建立了加工中變形的誤差模型，并基于在機測量與加工數據進行了參數預測、補償量求取和補償刀位點生成。對某型號火箭燃料貯箱進行了測量加工實驗，實驗結果表明：所生成的補償刀位點能夠適應實際零件變形狀態，保證零件剩余壁厚精度在設計范圍內，驗證了本文所研究方法的有效性。

大型薄壁筒件；數字化減薄加工；變形補償；在機測量；壁厚控制

1 引言

大型薄壁筒件是我國國防和航空航天領域內一類重要的結構件，為有效減重并保證足夠的強度，需基于在機測量進行等壁厚或變壁厚的加工減薄，我們稱其為數字化減薄加工。然而，該類零件的毛坯制造、裝夾、自重和切削加工等均會引起薄壁件的變形問題，從而導致零件的剩余壁厚精度難以控制。

針對加工變形控制，國內外學者做了很多研究，可分為四種方式：第一種為離線預測，Wang等提出了一種預測殘余應力引起加工變形的解析模型；Li等提出了一種考慮雙軸殘余應力的半解析模型預測加工變形。第二種為在線測量直接補償，Choi等提出了一種刀具偏轉實時補償方法；Liu等提出了一種基于動態特征的實時變形補償方法。第三種為在機測量間接補償，Lo等提出了一種軟件補償重復加工過程中輪廓誤差的方法；Cho等提出了基于多項式神經網絡和在機測量系統數據庫的綜合加工誤差補償方法。第四種為設備及工藝改進，馮憲冬等研制了一套大型壁板銑削工裝；許軍鋒等針對薄壁液壓缸數控加工優化了工裝和加工工藝參數。以上研究工作大多集中于單誤差源的建模、誤差實測補償和工藝裝備的優化等，缺乏面向壁厚控制的多源誤差的分析和補償方法的研究。

面向大型薄壁筒件數字化減薄加工，需有效利用在機測量的數字化基礎，綜合考慮影響壁厚精度的多誤差源并進行加工變形補償，以生成適應于零件變形狀態的補償刀位點。為此，本文面向大型薄壁筒件數字化減薄加工，研究一種加工變形自適應補償方法，以解決其剩余壁厚精度控制難題。

2 慮及結構變形的刀位補償建模

圖1 特征點映射示意圖

面向壁厚需求，可以將加工誤差歸結為變形問題，并拆解為整體變形和加工中的變形。通過整體變形補償，可以建立如下刀位補償模型：

3 基于在機測量的刀位點補償

加工中的變形由整個系統的偏轉、校準誤差和刀具磨損等引起。若零件僅經整體變形補償加工，可認為壁厚誤差反映為加工中的變形。然而這部分誤差僅在加工中存在，僅能在加工后測得。為此，基于多輪在機測量和加工過程，采用整體變形補償加工，得到多輪加工中變形數據，能夠對后續加工中的變形進行預測和補償。

3.1 加工中變形的誤差模型

圖2 某點加工中變形示意圖

3.2 加工中變形的參數預測

切削柔度系數與零件的剩余壁厚密切相關，可將切削柔度系數表示為零件剩余壁厚的函數。基于實際切削加工中的數據，采用外插值方法，能夠預測后續加工中的切削柔度系數。

根據式（4）、式（5）、式（8），可推出每輪切削加工的切削柔度系數計算公式：

3.3 面向預期壁厚的補償量計算

圖3 加工中誤差補償示意圖

為使下一輪實際加工壁厚與理論加工壁厚相等，應保證補償后的加工過程誤差為零：

其中，需保證分母不為零，柔度引起的變形量和施加的補償量抵消，無法進行補償加工，這種情況在實際零件加工中一般不會存在。

3.4 補償刀位點生成

圖4 刀位點補償實施示意圖

4 測量加工實驗

對某型號變壁厚火箭燃料貯箱進行測量加工實驗，驗證本文所提方法的有效性，零件剩余壁厚精度要求為±0.15mm。

對零件采用三輪測量加工過程。前兩輪采用整體變形補償方法，最終輪加工補償提供數據。第三輪加工采用整體變形補償和加工中變形補償得到補償刀位點，滿足最終零件剩余壁厚精度。

對毛坯進行了外廓和壁厚測量，并進行了前兩輪測量加工。基于前兩輪測量加工數據，對第三輪刀位點補償，得到補償刀位點。圖5所示為第三輪加工的補償刀位點云圖。

圖5 第三輪加工的補償刀位點云圖

圖6a所示為毛坯外廓誤差分布圖。圖6b所示為毛坯壁厚誤差分布圖。毛坯測量顯示：零件外廓誤差達2mm，壁厚誤差達0.26mm，理論刀位點無法加工。圖6c所示為零件加工后的壁厚誤差分布圖。

圖6 加工前后零件誤差狀態

圖7 實際零件加工現場

圖7a和圖7b分別為加工中的零件和加工后的零件。實驗結果表明：補償刀位點能夠適應零件整體變形和加工中的變形，零件實際加工后的壁厚精度保證為-0.07～+0.05mm，滿足了該型號火箭燃料貯箱的剩余壁厚精度要求。

5 結束語

本文面向大型薄壁筒件數字化減薄加工，分析了影響壁厚精度的多源誤差，并將其歸結為整體變形和加工中的變形。基于尺寸關聯和多輪在機測量過程，對零件整體變形和加工中變形進行補償，得到了適應于零件變形狀態的補償刀位點。

對某型號火箭燃料貯箱進行了測量加工實驗，結果表明：所生成的補償刀位點能夠適應實際零件的變形狀態，面向毛坯外廓偏差大、壁厚超差和剛度差的情況，保證了零件最終剩余壁厚精度，驗證了本文所研究方法的有效性。

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A Deformation Adaptive Compensation Method for Digital Thinning of Large Thin-walled Cylinder Parts

Wang ChenglongHe YonghaiSun JieLiu HaiboWang Yongqing

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024; 2. Xi’an Aerospace Power Machinery Co., Ltd., Xi’an 710025)

Aiming at the problem of accurate control of residual wall thickness of large thin-walled cylinder parts, this paper presents an adaptive compensation method for machining deformation. This paper comprehensively considers the holistic deformation and the elastic deformation of the tool. The holistic deformation is compensated based on the associated size, and the tool compensation model considering the structural deformation is established. Then, the error model of machining deformation is established. Then, based on the on-machine measurement and machining data, the deformation parameters, compensation quantity and the compensated tool pointsare acquired in turn. The experiment of measuring and processing the rocket fuel tank of a certain type is carried out. The experiment results show that the compensated tool points can adapt to the actual deformation state of the part and ensure the accuracy requirement of the residual wall thickness, which verifies the effectiveness of the method proposed in this paper.

large thin-walled cylinder parts；digital thinning processing；deformation compensation；on-machine measurement；control of wall thickness

TH161

A

國家科技重大專項（2019ZX04022001）。

王成龍（1995），碩士，機械制造及其自動化專業；研究方向：薄壁件測量加工一體化。

2021-05-04