航空航天范畴中薄壁布局件的接连装置哀求加工高精度的接连孔，但此类布局件钻削加工时变形大、易振动，紧要影响制孔精度和外面质料，守旧装夹方式存正在装夹跨距大、难以宽裕有用支持等题目。本文提出通过正向吸附辅助支持，进步薄壁布局件加工时的个人刚度，进而进步薄壁布局件的加工质料，并通过仿真和试验相维系的式样讨论了正向吸附辅助支持对薄壁布局件钻削加工的影响。结果证实，正在本文仿真和试验条款下，正向吸附辅助支持可使钻削地方刚度擢升40倍以上，孔壁粗劣度值下降67%以上，圆度公差下降60%以上，孔径过错下降50%以上，统一孔的亲近出口、入口地方的孔径过错下降90%以上。可睹，正向吸附辅助支持可明显进步薄壁布局件的制孔精度和质料。
王福吉1，2，3，王一成1，2，3，付饶1，2，3，杜长霖1，2，3，赵猛1，2，3
为告终航空配备的减重增效，航空零件大宗采用薄壁布局[1]，这些薄壁布局件正在装置流程中必要举行大宗的铆接、螺接等，于是必要加工大宗的接连孔，为了包管装置质料，这些接连孔哀求到达IT9乃至IT8的精度，并包管接连孔的孔壁质料[2]。然而，薄壁布局件刚度低，钻削加工时易发作很大的变形和振动[3–4]，导致孔形、位超差，孔壁毁伤紧要，难以餍足制孔质料和精度哀求。现阶段薄壁布局件钻削制孔众采用“钻–扩–铰”的众工序方式[5]，通过裁减每道工序切削资料下降钻削轴向力，从而进步加工质料和精度，但该方式出产成果低，难以餍足薄壁布局件的高效制孔需求。所以，怎样进步此类薄壁布局件的制孔精度与质料是目前航空航天配备范畴亟需办理的症结题目。
为进步薄壁布局件的加工精度和质料，最常用的方式是采用恰当的夹具和装夹式样，对薄壁布局件举行合理的装夹，可能有用地裁减工件的变形与振动[6–7]。面向航空大型薄壁布局件加工的装夹夹具，目前众采用守旧通用柔性装夹，该式样对差别零件的适合性好，使用边界通常，但仍存正在装夹跨距较大、装夹不宽裕、个人稳固性差的题目。别的，尚有良众使用场景采用专用夹具对薄壁布局件举行全数域的支持，可以很好地进步工件的刚度，从而裁减工件的变形与振动，然而专用夹具的通用性和伶俐性较低，相对本钱高，难以餍足薄壁件的低本钱加工的需求[8]。正在上述根底上，学者们通过夹具支持结构优化、新型夹具安排和扩张辅助支持等式样，进一步下降薄壁件的加工本钱、进步加工质料。
正在优化夹具支持结构方面，Wan等[9]采用了一种基于频率聪慧度的非线性筹办方式，以最大化工件–夹整个例的固有频率为主意，对夹具支持件的结构举行优化；Dou等[10]对夹具正在动态条款下的最佳地方举行了讨论，提出了粒子群优化算法改革算法（IPSO）和遗传算法的改革算法（IGA），并对算法的优化环境举行了仿真比拟。然而优化夹具支持结构的方式是对原有装夹式样的改革，存正在刷新装夹后仍无法餍足加工哀求的环境，且仍存正在装夹本钱高、夹具拆卸繁琐、成果低等亏折。
正在新型夹具安排方面，Craig等[11]提出了一种新奇的夹具观念，通过用阵列排布的弹性销填充定位器之间的空间，使其适宜自正在曲面构件的外面，基于该观念安排的夹整个例可能大大裁减工件变形。但夹具专机专用，本钱高，且应用时必要屡次拆卸，影响加工成果。Liu等[12]改进性地提出了一种新型的绿色冰基夹具（IBF），正在统统加工流程中坚固地固定悬臂的薄壁布局件以箝制加工变形。该方式加工前必要对工件举行管束，且必要研讨冰基加工杀青后的管束题目。Hu等[13]采用了一种众点真空吸盘可重构夹整个例（MPVC–RFS），通过阵列式吸盘对工件举行支持，通过起落机构治疗吸盘支持高度，告终对工件的自适合柔性支持。但该方式必要工件下方留有足够的装夹空间，难以使用正在加工飞机翼盒、筒段等部件的工序中。
正在扩张辅助支持方面，DeLeonardo等[14]提出了一种基于众呆板人的SwarmItFIX可重构夹具，通过外围死板臂将磁流变磁头夹具移至必要支持的地方以擢升工件的个人刚度，但该辅助支持需配合众台死板臂应用。Liu等[15]通过施加双向夹紧力的方式辅助支持工件的加工区域，有用地擢升了工件的加工质料。上述辅助支持方式可能举行随动支持，正在进步薄壁布局件加工质料的同时有用地擢升了加工成果，但因为必要正在加工地方底部支持，无法实用于机翼盒段、翼梁等不行从底部支持的布局件。针对无法从底部支持的薄壁布局件，Luo等[16]采用正面施加压力的方式擢升加工质料，通过压力脚挤压加工地方裁减薄壁叠层布局制孔时的界面毁伤和层间间隙。Capello等[17]提出了一种黏性阻尼器的辅助支持方式，通过黏性阻尼器管制工件与刀具的相对运动，箝制了钻削流程中的振动且避免了工件弯曲变形后的迅疾回弹，从而进步了薄壁布局件的钻削加工质料。然而正面支持固然可进步钻削流程的稳固性，但仍难以箝制钻削流程中变形对制孔孔径、圆度等精度的影响。
针对现有辅助支持式样正在薄壁布局件制孔时的亏折，本文提出通过正向吸附辅助支持，进步薄壁布局件加工时的个人刚度，进而进步薄壁布局件的加工质料；通过有限元仿真讨论了扩张正向吸附辅助支持后工件钻削区域的刚度改观及工件变形环境，并基于研制的正向吸附辅助支持安装，展开薄壁布局样件正向吸附辅助支持钻削试验；对钻削流程的工件变形振动、孔壁加工质料、圆度及孔径举行了领悟比拟，验证本文提出的工艺对薄壁布局加工质料的擢升效率。
本节通过有限元仿真的式样探究扩张正向吸附辅助支持后工件钻削加工区域等效刚度的改观及工件变形环境。看待工件来说，刚度是工件正在受力时招架弹性变形的才能，即发作单元变形所需的外力值。已知钻削时工件所受力为刀具切削工件资料发作的轴向力，本文取最大钻削轴向力和该期间最大变形的比值外征工件钻削地方的等效刚度。本文将最大钻削轴向力简化为感化正在钻削区域的恒力，因为工件被吸盘吸附时受到的是与轴向力等大反向的静摩擦力，所以将吸盘施加的力简化成与最大轴向力等大反向的协力。通过Abaqus仿真软件举行静力学仿真，获得扩张正向吸附辅助支持后工件钻削地方的变形环境，进而盘算推算出等效刚度的改观环境。
本文有限元仿线铝合金，其物理属性如外1所示。为包管仿真盘算推算精度，同时进步仿真模子的盘算推算成果，必要对工件举行合理的网格划分，本文选用四面体网格，长度和宽度目标单位网格尺寸为1mm，厚度目标划分10层单位以进步仿线个单位。有限元仿线所示，为模仿某楷模薄壁布局样件悬臂地方的钻削加工工况，取工件一端350mm×30mm的区域修立为全部固定的边境条款；取隔绝固定边境200mm的直径为6mm的中央区域A动作模仿施加最大轴向力载荷的地方，模仿施加的最大轴向力载荷为150N；施加正向吸附辅助支持时，以最大轴向力载荷中央点A为圆心，正在半径70mm的圆上均布4个直径为50mm的圆面模仿吸盘吸附地方，通过正在4个圆面上修立均布力来模仿钻削时吸盘对工件的辅助支持，辅助支持载荷之和与最大轴向力载荷相同，修立为150N。
正在上述条款下，展开静力学仿真试验，获得模仿钻削工况下工件的变形云图如图2所示，正在无辅助支持载荷的条款下，工件变形量自固定端向自正在端呈梯度式增大，工件距固定端统一隔绝的中心区域变形较大，工件亲近固定端区域变形较小，中央点A处的变形为24.01mm，工件最大变形地方呈现正在自正在端的中央地方，最大变形为44.67mm；正在有辅助支持载荷的条款下，中央点A处较边际区域变形更大，工件变形以该区域为中央呈近似圆周分散。工件亲近固定端区域变形仍较小，距固定端统一隔绝的双方区域变形较大；工件的最大变形地方正在自正在端两角，最大变形为1.43mm，中央点A处的变形为0.56mm。
通过比拟领悟工件变形云图可知，与无辅助支持载荷比拟，施加正向吸附辅助支持的载荷后，中央点A处的变形裁减了97.7%。盘算推算可知，无辅助支持时此地方的等效刚度约为6.25N/mm。比拟之下，有辅助支持载荷时，中央点A处的等效刚度约为267.25N/mm，等效刚度擢升了41.76倍。所以可能以为，扩张正向吸附辅助支持可能大幅擢升薄壁布局件钻削地方的刚度，下降钻削时的变形，从而有利于裁减薄壁布局件钻削加工毁伤，擢升钻削加工质料。
为告终钻削流程中对工件的正向吸附辅助支持，本文安排了如图3所示的正向吸附辅助支持安装，此安装可与加工终端随动，直接感化于被加工区域，举措更为伶俐。该安装重要由真空吸盘、吸附模块主体、实施缸体、锁紧机构以及限度体例等构成。安装告终正向吸附辅助支持的流程为：将安装与机床主轴或其他实施钻削开发接连固定，并调节安装使吸附支持中央瞄准钻削加工地方；实施缸体驱动装有吸盘的吸附模块向下进给，当吸附模块通过感到开闭到达预期的加工地方后锁紧机构锁，使吸附模块固定正在吸附地方；真空吸盘开启负压吸附被加工工件，为钻削流程供应正向吸附辅助支持；钻削开发正在此条款下初阶向下钻削，辅助支持保留地方稳定；钻削杀青后辅助支持感化下场。
应用课题组自研的自愿进给钻动作钻削开发搭修加工试验台，如图4所示，通过桥式钻模板将自愿进给钻装置固定，并治疗装置地方使钻尖搬动至钻削区域。举行正向吸附辅助支持钻削试验时，通过固定座将正向吸附辅助支持安装装置正在光学平台，并将吸附中央搬动至钻削区域。试验采用的钻削刀具为钻削铝合金效率较好的三顶角麻花钻，刀具的基体资料为K44UF硬质合金，刀具直径为6.36mm。钻头布局睹图4，钻尖分为三部门顶角，通过三部门顶角的切削刃依序切削，可有用擢升铝合金工件的加工质料。用于试验的薄壁布局件为某飞机上必要正在悬臂地方钻削的楷模样件，选用的工件尺寸为350mm×350mm×2mm，商标为7075的航空级铝合金，通过工件固定模块单侧装夹工件模仿实质加工工况。
试验时，正在工件200mm悬长的地方以20mm为间隔各钻削7次，正在有/无正向吸附辅助支持条款下判袂获得7个钻削孔，两种工况的试验正在统一工件进步行钻削，不从新拆装工件。钻削时，自愿进给钻修立的转速为1000r/min，进给速率为120mm/min，通过比拟两种式样下工件的变形和振动、孔壁加工质料、圆度以及孔径来探究正向吸附辅助支持对铝合金薄壁布局件钻削加工的影响。
无辅助支持钻削试验的工件变形环境如图5（a）和（b）所示，刀具钻入工件时，正在横刃挤压和切削刃切削发作的轴向力的感化下，工件弯曲变形并随同强烈振动。刀具钻出工件后因为轴向力的骤减，弯曲变形的工件向上回弹，正在短暂的振动后稳固至程度状况。退刀时刀具对工件已加工的孔壁仍存正在划擦，导致工件仍存正在少许振动。正向吸附辅助支持钻削试验的工件变形环境如图5（c）和（d）所示，扩张正向吸附辅助支持后，真空吸盘对工件供应了辅助支持，刀具钻入工件的流程中，工件没有发作肉眼可睹的弯曲变形和振动，因为真空吸盘是可拉伸的橡胶材质，为工件供应辅助支持时，吸盘自己会发作必定的拉伸变形，导致刀具正在钻出工件时，工件会有微量的回弹。综上所述，与无辅助支持比拟，正向吸附辅助支持可能有用裁减钻削流程中工件的变形和振动。
为探究正向吸附辅助支持对孔壁加工质料的影响，对试验获得的两组孔举行了孔壁样子观测，应用线切割机将孔从笔直于悬臂的目标截开，应用型号为InfiniteFocusG5（Alicona，奥地利）的三维扫描共聚焦显微镜对孔壁举行扫描，孔壁样子如图6所示。无辅助支持钻削时，孔壁出口地方存正在肖似阶梯形式的划伤，孔壁中心区域较为粗劣（图6（a））；扩张正向吸附辅助支持后，孔壁无显着划伤，孔壁粗劣度较无辅助支持有显着擢升（图6（b））。维系3.1节工件钻削加工流程中的变形可知，无辅助支持钻削时工件存正在较大变形，正在刀具钻出时工件产生变形回弹且回弹速率极疾，刀具切削刃与工件出口地方待切削资料接触年华极短，未能有用切除出口部位的工件资料，从而造成肖似阶梯状的划伤。钻削流程中工件接续振动，刀具与工件孔壁屡次划擦导致孔壁外面较为粗劣，因为亲近自正在端目标刚度最差，振动最为紧要，导致孔壁中心区域肉眼可睹的粗劣。正向吸附辅助支持钻削时孔壁质料的明显擢升，阐明了正向吸附辅助支持可擢升工件的个人刚度，从而进步了工件钻削时孔壁的加工质料。
为进一步评定孔壁的加工质料，应用上文所述的三维扫描共聚焦显微镜对两组孔的孔壁粗劣度举行衡量。为进步粗劣度衡量的无误性，每个孔的孔壁判袂衡量3次，取衡量的均匀值动作该孔壁的粗劣度，对两种工况下的粗劣度Sa的数据举行整饬，结果如图7所示。无辅助支持钻削的孔壁粗劣度均匀值为21.92μm，扩张正向吸附辅助支持后孔壁粗劣度均匀值下降至7.09μm，孔壁粗劣度值下降67.7%。无辅助支持的7组孔壁粗劣度值最大过错为4.9μm，扩张正向吸附辅助支持后最大过错仅为3.1μm，孔壁粗劣度的相同性擢升36.7%。通过两组孔壁粗劣度比拟印证了上文领悟具体切性。
为探究正向吸附辅助支持对孔圆度的影响，应用型号为PRISMO（ZEISS，德邦）的三坐标衡量机对有/无正向吸附辅助支持钻削获得的两组孔的圆度举行了衡量。将工件平放正在三坐标衡量机的处事台上，并应用夹具举行装夹固定，以工件的上外面为基准，判袂正在距上外面0.5mm和1.5mm处衡量孔的圆度公差，每个孔衡量两次取均匀值，衡量结果如图8所示。无辅助支持钻削时圆度公差值正在0.07~0.11边界内，圆度公差均匀值为0.092，统一孔的差别部位以及差别孔之间圆度公差的相同性较差；扩张正向吸附辅助支持后，孔的圆度公差值正在0.028~0.037边界内，圆度公差均匀值为0.033，圆度公差值下降了64.1%，且统一孔的差别部位以及差别孔之间圆度公差的相同性都有较大擢升。
维系图9的无辅助支持时工件变形及回弹示希图可知，无辅助支持时悬臂状况下的工件正在钻削流程中产生了弯曲变形，正在弯曲变形的状况下钻削刀具切削的工件资料增加，所以所制孔悬臂目标的长度增大；因为弯曲变形是工件悬臂目标的更动，对工件笔直于悬臂目标的切削影响较小，所以所制孔切削宽度不相同，使得无辅助支持钻削状况下孔的圆度较差。因为施加正在工件的轴向力是随钻削流程改观的，所以正在差别期间，工件的弯曲变样子况不相同，使得无辅助支持状况下统一孔的差别地方圆度分别较大。另外，固然每个孔都是正在200mm悬长的地方钻削获得的，但各孔正在笔直于悬臂目标的地方有必定的分歧，导致孔的刚度也有分别，所以每个孔的钻削地方弯曲变形有所差别，使得无吸附支持钻削时差别孔之间圆度公差相同性较差。扩张正向吸附辅助支持后有用裁减了工件钻削加工时的弯曲变形，明显下降了孔的圆度公差，擢升了统一孔差别地方的公差相同性，且吸附支持的辅助支持感化效率宏壮于差别孔地方的分歧，所以擢升了统一组差别孔的圆度公差的相同性。
为探究正向吸附辅助支持对钻削加工孔径的影响，应用上文所述的三坐标衡量机对两组比拟试验的进出口孔径举行衡量，三坐标衡量机的红宝石探头直径为1mm，为包管衡量结果的无误性，衡量时将工件平放正在处事台并装夹固定，以工件上外面为基准，衡量隔绝上外面0.5mm和1.5mm地方的孔径动作该孔的入口孔径和出口孔径，衡量结果如图10（a）所示。无辅助支持时入口孔径宏壮于出口孔径，孔大白上端大下端小的形式，孔径过错到达了0.0921mm，且出口孔径摇动大，相同性差。扩张正向吸附辅助支持后，进出口孔径过错获得显着刷新，差别孔的孔径相同性也显着擢升，孔径过错裁减至0.0386mm，孔径过错下降58.09%。为进一步探究进出口孔径过错环境，对测得的进出口孔径数据举行整饬，整饬结果如图10（b）所示。无辅助支持时，最大过错为0.081mm，最小过错为0.036mm，孔上下端过错均匀值为0.06mm，差别孔之间进出口孔径过错分别大；扩张正向吸附辅助支持后，孔上下端最大过错为0.012mm，最小过错为0.004mm，过错均匀值为0.006mm，过错值下降90%，且差别孔的进出口孔径过错获得刷新。
维系工件变形及回弹示希图(图9)领悟可知，无辅助支持钻削时轴向力的存正在使得工件弯曲变形,正在弯曲变形的状况下刀具切削工件资料增加,导致所制孔的孔径偏大。因为轴向力50%以上是由横刃挤压工件发作的,当横刃切出工件后,钻削轴向力骤减并随钻削的举行一直减小,工件回弹导致弯曲变形减小,与入口地方比拟刀具切削资料裁减,所以无辅助支持时出口孔径小于入口孔径。
另外通过孔壁样子(图6)可知,无辅助支持钻削的孔壁出口地方存正在高于寻常孔壁的阶梯状划伤,愈加剧了进出口孔径的过错。因为各孔的阶梯状划伤不相同,所以出口孔径相同性差。扩张正向吸附辅助支持有用裁减了工件钻削时的弯曲变形,且出口地方没有划伤,所以所制孔的孔径过错、统一孔的进出口孔径过错以及孔径相同性均明显擢升。综上所述,正向吸附辅助支持可有用擢升钻削加工的孔径精度。
本文提出了一种正向吸附的辅助支持方式,并展开了正向吸附辅助支持对薄壁布局件钻削加工的影响讨论,得出以下结论。
(1)正在本文有限元领悟的条款下,施加不异载荷(轴向力)时正向吸附辅助支持可擢升薄壁布局件钻削加工区域41.76倍的等效刚度,并裁减97.7%的变形。
（2）与无辅助支持钻削的工况比拟,正向吸附辅助支持可有用裁减薄壁布局件钻削加工时的变形与振动,有用箝制变形回弹导致的孔壁出口地方的阶梯状划伤,并裁减因振动导致的刀具与孔壁的划擦,可下降67.7%的孔璧粗劣度,有用进步了孔壁的钻削加工质料。
（3）正向吸附辅助支持可大幅裁减薄壁布局件钻削加工时的弯曲变形,进而下降工件正在差别目标、差别地方切削资料量的分别,可下降所制孔64.1%的圆度公差,并有用擢升统一孔的进出口以及差别孔之间圆度的相同性。
（4）正向吸附辅助支持可有用箝制因弯曲变形导致的孔径偏大的题目,以及因变形回弹导致的进出口孔径过错大的题目,可下降58.09%的孔径过错和90%的统一孔的进出口孔径过错,并有用擢升差别孔之间孔径的相同性。
王福吉,王一成,付饶,等.薄壁布局件的正向吸附辅助支持钻削工艺讨论[J].航空修筑技艺,2024,67(7):54–60.
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