基于余量均匀化的易变形体零件加工基准准确评价技术

一、引言

随着航空武器装备极端服役性能需求的大幅提升[1]，产品形态由零件向大型易变形组件跨越，结构设计已越发整体化、大型化、精确化[2]。易变形体零件空间尺寸超 6m×5m×2m ，主要制造难点：①结构复杂多样、毛坏状态差（变形高达 smm ）； ② 尺寸精度 0～0.03mm ）、位置精度（ Φ0.05mm ）要求高，且多为全机关键、重要区域[3]。

图1某航空易变形体零件

航空易变形体零件加工面均为变曲率复杂曲面，且整体结构变形较大、无规律、状态一致性差[4]。传统的一面两孔基准建立方法，不能全面反映易变形体零件全部状态，无法满足加工精度要求[5]。基于此，国内外研究学者针对易变形体零件加工基准建立提出了诸多方法。贺等[6]提出了以零件本身的特征作为基准面，对比实际状态下的测量坐标系下的测量点位与机床加工坐标系下对应位置的点位偏差，通过无应力加垫片的方式调整零件姿态，使加工坐标系不断逼近理论位置的坐标系建立方法。该加工坐标系建立方案以零件本身特征为定位基准，同时不涉及实际零件外形与理论型面之间的误差补充，不适用于型面为曲面、无定位基准、实物外形与理论存在无规律偏差的易变形体零件精确加工坐标系地建立。为实现大型复杂零组件加工基准的准确建立。张西成等[7]提出了基于零件特征的成品零件数控加工方法、坐标系建立方法，该方法通过在机床坐标系下测量成品零件上一组基准点位置，根据该组基准点在零件设计坐标系下的理论位置，确定从零件设计坐标系到机床坐标系的变换矩阵，用于建立数控编程使用的加工坐标系，进而在编制加工程序后使用机床坐标系作为加工坐标系进行加工。该方式能够准确定位零件的装夹位置，解决零件无加工基准的问题，同时能够避免现场工人对零件的调平找正操作，减少坐标系建立引入的加工误差，实现零件的高精度数控加工。任德祖等[8]提出了一种用于大型航空零件数控加工的调姿垫块及其使用方法，该方案基于基准点的测量数据，通过加垫的方案进行大型零件加工位姿调整，从而准确建立加工坐标系。但该方案主要在底部增加调节螺栓控制零件加工姿态的调整，只能控制零件的上下调整，无法满足前后左右方向位姿调整需求，同时螺栓调节方式精度较低，需多次反复调节。

综上所述，目前大型复杂零部件加工基准建立方面提出的一些行之有效的方法，但存在操作难度大、易出错、无法高准确性调姿等缺陷[9]。因此，为实现易变形体零件精确加工基准的快速建立，需持续开展加工基准精确建立相关技术研究。

因此，本文针对易变形体零件加工基准准确建立难等问题，通过分析易变形体零件结构特征制定易变形体零件翻面基准传递策略，构建基于毛坏余量均匀化的可加工判据模型，提出易变形体零件加工位姿调整方案，实现易变形体零件加工基准准确建立。

二、易变形体零件加工基准精确建立方法

易变形体零件具有复杂变曲率结构、空间尺寸大等特点，为实现组件后端快速装配，六面均需进行精确的数控加工。且易变形体零件毛坏整体变形较大（局部变形可达 2.5mm ），产品自身没有精确可用的基准特征，传统“一面两孔”的加工基准建立方式无法真实反映易变形体零件所有特征部位的状态[10]。同时，易变形体零件整体结构尺寸较大，机床行程无法满足一次装夹全域加工的要求。

以某大型复材筒体组件为例，该组件尺寸超4m，具有不规则、变曲率四边形空心结构，且筒体外部环筋与纵筋交错，产品自身没有精确可用的基准特征。因此，基于机床可加工行程范围，制定了两面翻转加工策略。由于组件上无准确加工定位基准，因此，第一面加工基准采用最佳拟合原理建立，进而在第一面加工基准的基础上通过基准传递策略，基于毛坏余量均匀化原理，进一步优化初始基准，从而实现易变形体零件加工基准的精确建立。

2.1最佳拟合下的加工基准建立策略

基于上述典型大型复材组件两面加工的基准传递流程，在通过铣夹工艺孔建立的初始基准下在机测量产品工艺接头，使用最小二乘法原理与产品理论值进行拟合，反映大型复材组件毛坏与理论位姿的偏差规律，获得大型复材组件毛坏的加工基准转换矩阵。

在理论模型中，大型复材组件毛坏模型与工装模型的装配定位关系唯一确定，此时在测量坐标系下所有型面加工特征的测量点位理论值形成以下矩阵M：

式中，Xim，Yim，Zm为理论测量坐标系下第i处型面特征的理论X，YZ坐标。

在产品实物装夹姿态下已工装工艺孔建立初始坐标系，将在机测量得到的型面加工特征实测值作为参考位置R：

式中，X，Y，Z为初始坐标系系下第i处型面特征的实测X，Y，Z坐标。设坐标变换矩阵A：

使用坐标变换对各装配基准的实测位置进行坐标变换：

式中， X_i^q，Y_i^q，Z_i^q 为第i处装配基准变换后的坐标。

在矩阵Q与R间采用最小二乘法拟合，即获得坐标变换矩阵 A 基于坐标变换矩阵，则在装夹姿态调整前后的坐标差值即为调整量：

基于上述计算所得的坐标系调整量，建立最佳拟合原理下的加工坐标系，该基准建立方案仅考虑了毛坏实际与理论之间的关系，但由于加工区域存在一定厚度的加工余量，采用上述加工基准建立方案存在加工后余量不协调等情况。因此，以下需进一步基于毛坏余量优化加工坐标系。

2.2基于毛坏余量均匀化的加工基准传递及优化

由于大型复材组件在待加工特征部位均铺有固定厚度的补偿层，用于补偿零件变形对材料去除量的影响，数控加工时通过去除补偿层余量形成满足设计要求的尺寸特征，按上述最佳拟合原理建立加工坐标系加工无法对过铣削和欠铣削情况实现有效控制。因此，毛坏加工坐标系建立完成后需要对各加工面的实际加工余量进行检测和评估，并对毛坏的装夹位姿进行优化，确保加工余量足够且均匀。

在装夹位姿调整时的加工余量判异原则如下：

1）对于任意部位，加工余量S不小于0，否则数控加工过程无法从毛坏上去除余量（欠铣削），造成导致形成的特征与已有特征不协调；

2）对于任意部位，加工余量S不大于最大可加工余量smax，否则数控加工过程将去除过多余量（过铣削），影响零件强度。

3）加工余量在各处的分布应当均匀，以保障各部位加工质量。

因此，为确保待加工部位的余量均满足加工要求，以下提出加工余量评估模型及优化模型，用于进一步优化加工基准。

易变形体零件可加工性余量判据模型

由于传统的空间距离为标量，使用空间距离评价毛坏余量时无法有效判断欠铣削和过铣削，故采用实测点到理论测量点处局部平面的有向距离作为毛坏余量判定的依据。

于每一个测量点位，毛坏型面欠铣削的判定原则为：

对于每一个测量点位，毛坏型面过铣削的判定原则为：

故，对于不存在过铣削和欠铣削的测量点位，其毛坏余量应满足：

其中， d_Pi 为实测点到理论测量点处局部平面的有向距离即加工余量， P_xi^M ， P_yi^M ， P_zi^M 为毛坏型面实测点PM的X、Y、Z坐标值， P_xi^T ， P_yi^M ， P_zi^M 为毛坏型面理论点 P_i^T 的X、Y、Z坐标值， V_xi ， V_yi ， V_zi 为毛坏型面在该点处的法失V在X、Y、Z方向上的分量， T_i 为该点所在加工面的毛坏厚度， D_i 为该点所在加工面的机加补偿量，如图3所示。

图3加工余量示意图

所有理论点和其对应的法失形成理论测量点集合法失集

所有实测点形成实际测量点集

根据前述条件，可以对所有加工面的余量进行评估和优三、典型易变形体零件加工基准建立方案工程化验证

基于上述典型大型复材组件的工艺流程，其中毛坏变形是影响加工基准准确建立的关键，因此对毛坏状态进行精准识别是当前流程中最为关键的环节。通过第一面加工前通过对所有两面待加工特征（包括筋位、内形、法兰以及型面，测量点设置在理论机加面上，以便快速完成数据分析）进行测量，综合评估筒体整体变形和两面原点的调整量。为了准确测量出筒体的整体形貌，减少多基准之间的传递误差，要求两面测量公共基准误差 ≤0.15mm ，以确保两面加工基准统一、两面加工特征接平且满足加工要求。

在机床上装夹时以复材预制的φ8.2mmDA孔及筒体毛坏型面进行定位。以工装上的3-Φ16H9基准孔及Z0平面定位，建立初始坐标系。并在筒体两端余量处A面、B面、C面制出基准孔。

图4基准孔分布示意图

基准孔加工完后将零件放置于三坐标测量机中，保持与机床的装夹状态。以工装上4-Φ16H9附近的平面建立坐标平面。测量9-Φ6.35H9基准传递孔、重合区。测量第一面毛坏余量，利用机床最大行程测量第一面加工区域区域，减少基准传递带来的误差。

第一面测量的基准孔孔口坐标参见表1（包含了X、Y、Z、I、J、K三个坐标级法矢）所示，其中孔8、孔9位翻转90°的定位孔，采用第一面实测的孔1-孔7共7-Φ6.35H9孔口数据进行最小二乘法迭代拟合，按照加工余量包络零件最小实体的原则，优化确定加工坐标X、Y、Z偏移值。要求传递基准的测量结果与第一面对传递基准的测量结果重合误差 ⩽0.15mm

确认第二面测量坐标系后，首先进行两面重合区的测量，若测量结果与第一面相比误差 ⩽0.15mm 则说明测量坐标系正确，然后进行剩余面（在第一面测量时未测量到的零件底面）测量。否则就重新对传递基准进行迭代，直到满足误差 ⩽0.15mm 要求。

在机复测筒体A面、B面毛坏型面，验证坐标系偏移值的正确性；在机复测筒体C面毛坏型面，判定型面欠铣削、过铣削区域，并适应性调整加工程序。

待加工筒体型面铺有毛坏余量，厚度一般为 2～2.5mm ，宽度一般为筒体型面理论宽度的 110% 理论机加余量一般为 1～1.5mm ，机加补偿量一般为 0.5～1.5mm 以某筒形结构件为例，对其毛坏进行测量，计算各点处的 d_Pi ，其最大偏差为 2.7094mm ，最小偏差为 .0.0632mm ，偏差标准差为 0.5671mm 具体分布情况如图5所示。

偏差散点图

图5优化前余量分布

该零件的毛坏厚度为 2.5mm ，在不考虑机加补偿量的情况下，毛坏存在过铣削区域和欠铣削区域，但过铣削和欠铣削量均不大，仍然以加工余量均匀分布作为优化目标，获得最优位姿调整矩阵：

依据最优位姿调整矩阵对最优位姿下的余量分布进行计算，其最大偏差为 2.4403mm ，最小偏差为 ⋅0.0182mm ，偏差标准差为 0.5225mm ，具体分布情况如图6所示。在不考虑机加补偿量的情况下，过铣削区域消除，欠铣削区域的欠铣削量由优化前 .0.0632mm 减小为 .0.0182mm ，加工余量优化效果明显。

图6优化后余量分布

使用最优位姿调整矩阵G对实测的初始基准传递孔位进行变换获得最优位姿基准传递孔位，在现场调整零件使新状态下的基准传递孔位与最优位姿基准传递孔位重合，此时零件处于最优加工位姿。在最优加工位姿下对毛坏各部位余量进行复测，其最大偏差为 2.4354mm ，最小偏差为 .0.0673mm 偏差标准差为 0.5282mm ，过铣削区域消除，实际加工余量得到明显改善。

与理论最优位姿下的余量进行对比，其最大偏差为 0.1926mm ，最小偏差为， ⋅0.1284mm ，偏差标准差为 0.053lmm ，实际装夹状态与理论一致。可满足易变形体零件精确加工要求。

图7位姿调整后余量对比

四、结论

本文针对易变形体零件毛坏变形大、状态一致性差带来的加工基准准确建立难的问题，基于易变形体零件结构特征及现有机床等设备条件，制定了易变形体零件双面基准传递策略，构建了基于毛坏余量均匀化的可加工判据模型，提出了易变形体零件加工基准优化方法，形成了易变形体零件精确加工基准建立方案，余量标准差由 0.5671mm 降低至 0.053lmm ，避免了易变形体零件因变形及余量不均匀导致的加工过切、欠切等问题。

参考文献

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[5]姜昂.基于刚体模型组合偏差建模的薄板件夹具定位方案优化设计上海交通大学，2010.

[6]贺等，一种建立零件加工坐标系的方法，CN113601267B.

[7]张西成等，基于零件特征的成品零件数控加工方法、坐标系建立方法，CN202310371207.9.

[8]任德祖等，一种用于大型航空零件数控加工的调姿垫块及其使用方法，CN202110830587.9.

[9]李蓓智，赵敬安，杨建国，等.装夹方案与加工顺序综合优化方法研究机械设计与制造，2011（03）：242-244. （20）

[10]Ratchev S，Liu S，Huang W，et al.An advanced FEA based force induced error compensation strategy in milling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2Oo6，46（5）：542-551.